Генерация внутренних волн подводными землетресении

Содержание

Введение. Понятия "волна" и "внутренняя волна"
1.Основы анализа волновых процессов в океане
1.1 Общие термины
1.2 Характеристика поверхностных волн
2. Внутренние волны и цунами
2.1 Природа и основные характеристики внутренних волн
2.3 Цунами и внутренние волны
2.4 Внутренние цунами
Заключение
Список литературы

Генерация внутренних волн подводными землетресении

.
2. Внутренние волны и цунами
2.1 Природа и основные характеристики внутренних волн
Динамика верхнего слоя океана — на глубинах до сотен метров, в значительной степени определяется ВВ. Они возникают в так называемом пикноклине — слое в толще воды, где плотность с глубиной изменяется гораздо быстрее, чем в соседних слоях. Механизмы генерации и устойчивости этих волн, специфика их взаимодействия с турбулентными течениями и эволюция на океаническом шельфе, - основа физики внутренних волн и построении прогностических моделей их динамики в конкретных акваториях.
Один из наиболее интересных и эффектных проявлений ВВ в природных условиях - взаимодействие поверхностных ветровых волн с ВВ в океане: оно передается вверх по спектру, от метровых и дециметровых к сантиметровой ряби. Кроме того,неоднородное поле течений, созданное внутренними волнами, вызывает изменчивость поля скорости ветра над поверхностью, что обязательно приводит к модуляции уровня коротких ветровых волн.
С каждым годом, благодаря объединению данных, полученных наблюдением из космоса, акустическими и термо-барометрическими исследованиями, модельным экспериментам и обширным теоретическим изысканиям, пополняются данные о возможных причинах внутренних волн (ВВ). Наблюдается большое многообразие режимов течения, многие из которых пока не имеют теоретического описания. В связи с этим даже простая классификация явлений ВВ еще далеко не завершена.
На настоящее время, далеко не полная система классификации структур океанских вод позволяет оценить масштаб явлений, так или иначе связанных с ВВ:
1) дрейфовые течения;
2) сезонный пикноклин;
3) прибрежный апвеллинг;
4) циркуляционные ячейки Ленгмюра;
6) аномальные слои;
7) линзы аномальных вод;
8) системы термохалинных ступенчатых структур;
9) океанские фронты;
10) фронтальные интрузии;
11) конвективные колодцы;
12) структуры вынужденной конвекции;
15) струйные течения;
16) следоподобные структуры;
17) грибовидные течения.
[3, – М.: Море, 2004]
Чаще всего различают следующие причины возникновения ВВ (учитывая при этом их возможную комбинацию, которая может вызвать как синергетический, так и демпфирующий эффект):
- ВВ, вызванные резким смещением больших масс воды в результате подводных землетрясений, оползней, а также подводных извержений вулканов. Аналогичные эффекты производит обрушение в воду больших масс породы, падение в воду метеоритов и т.д. Как правило, возникают одновременно поверхностные и внутренние гравитационные волны.
- Приливные ВВ. Это наиболее стабильные и известные ВВ. Период приливных ВВ чаще всего изменяется от 12 часов до суток.
- ВВ метеорологического происхождения. Стабильное перемещение воздушных масс над поверхностью водоема, сопровождаемое локальным изменением атмосферного давления создают ВВ с самыми различными параметрами (например, периодом от 1,5 до 300 мин.).
- ВВ инерционные, которые являются свободными колебаниями, возникшими, как следствие прекратившихся внешних, например метеорологических, воздействий на пласты пикноклина (это в чистом виде стоячие волны).
- ВВ, образованные течениями со значительными градиентами скорости в слое пикноклина.
- Явление "мертвой воды", проявляющееся в том, что тело, двигающееся с малой скоростью вблизи крутого пикноклина в слое с малой плотностью (например, более пресной воды), создает внутренние волны, съедающие значительную часть мощности, прилагаемой к телу для организации движения.
Различают также (независимо от приведенной классификации) термо-халинные (обусловленные скачком температуры и солености) ВВ очень сложного для теоретического описания поведения, ВВ планетарные (аналогичные атмосферным волнам Россби – инерционные баротропные и бароклинные волны Россби — Блиновой, образующиеся вследствие изменения с широтой вертикальной проекции угловой скорости вращения Земли; гироскопические планетарные ВВ вследствие действия сил Кориолиса; шельфовые волны Кельвина и градиентно-вихревые гравитационные волны Янаи (т.н. "захваченные" волны).
Крупномасштабные волны типа волн Россби, Кельвина и др. оказывают существенное влияние на термогидродинамику океана, взаимодействие атмосферы и океана, климат и погоду. Свойства многих из этих типов волн радикально отличны от свойств поверхностных гравитационных волн. Например, волны Кельвина локализованы в узкой шельфовой зоне, распространяются в северном полушарии вдоль берега против часовой стрелки. Экваториальные волны Россби, захватывая масштабы в сотни километров, локализуются вдоль экватора и проявляются не в изменении уровня, а, прежде всего, в форме вихревых течений.
Амплитуда и период ВВ определяются вертикальным градиентом плотности в пикноклине, толщины эпилимниона (верхнего, активно перемешиваемого слоя воды) и гиполимниона (слоя, располагаемого ниже скачка плотности, слабо перемешиваемого), рельефа дна и других факторов.
Амплитуда ВВ измеряется десятками метров, значительно превышая величину поверхностных волн, одновременно с которыми ВВ генерируются в стратифицированном водоеме. Частота ВВ может находиться в очень широких пределах: от максимальной величины, определяемой числом Вяйсяля-Брента , где E = gdρ / ρdz — устойчивость слоев воды, до минимальной, определяемой параметром Кориолиса f = 2 sin , где — частота вращения Земли и — широта местоположения водоема. Т.о., период ВВ варьируется от десятков секунд до 15—20 часов и более.
Минимальной частотой обладает инерционная ВВ Кельвина, генерируемая в момент прекращения штормового сгона в районе прибрежного подъема глубинных вод и пикноклина, т.е. при апвеллинге. Под действием сил инерции эта волна седлообразной формы обходит кромку водоема в направлении против хода часовой стрелки, постепенно расплываясь.
В центральной части крупного внутреннего водоема на поверхности термоклина могут генерироваться ВВ инерции Пуанкаре - внутренние сейшы с многочисленными узлами, имеющие форму стоячей волны с небольшим периодом.
При разрушении ВВ образуется скважина в поверхности термоклина, в которой происходит тепло- и массоперенос, реализуемый в виде турбулентности небольшого масштаба, с частотой пульсации, превышающей величину N. Это один из механизмов переноса, обмена и смешения сравнительно небольших объемов воды эпилимниона и гиполимниона при наличии устойчивой в целом стратификации водоема. [4, – С. -230 – 300].
Важно отметить, что для устойчивого существования ВВ необязателен сколько-нибудь резкий скачок плотности, достаточен её положительный градиент от дна к поверхности, т.е. . Теоретическое исследование параметров ВВ чрезвычайно трудно, особенно с учетом реальных нелинейностей. Найденные при выполнении данной работы результаты анализа для бесконечно глубокого стратифицированного бассейна (учет только действия силы тяжести, ), дают следующую дисперсию ВВ [2, - С. 280]:
,
и отношение амплитуд внутренней и поверхностной волн в идентичных условиях:
.
2.2 Образование внутренних волн, вызванных подводными землетрясениями
ВВ присутствуют в стратифицированных водоемах всегда (в виде стоячих волн), и изменяют свои характеристики пропорционально различным внешним воздействиям.
Колебания дна стратифицированного океана с необходимостью приводят к изменению параметров внутренних волн. Параметры волн определяются на этапе их образования характером деформации дна, глубиной и толщиной слоев.
Выполненные полуэмпирические исследования с определенностью показывают возникновение устойчивых течений, перпендикулярных дну, симметричных вихревых образований в прилегающих областях и дальнейшее распространение двух симметричных волн на границе раздела при колебаниях дна водоема. [1, - С. 24 – 31].
Очевидно, что в зависимости от энергии землетрясения и его геометрии, возможны существенно различные сценарии эволюции водной среды. Вот только некоторые из них:
1) Генерация турбулентности непосредственно волной цунами при прохождении её через мелководье.
2) Генерация вихрей горизонтальными движениями неровностей дна (при этом масштаб турбулентностей должен быть по масштабу равен данным неровностям).
3) Образование на поверхности, в результате параметрического резонанса, стоячих волн. Обрушение этих волн вызывает значительную турбулентность, но она ограничена десятками метров от поверхности воды.
4) Высокая скорость подвижки дна (выше скорости звука в воде), независимо от амплитуды, с необходимостью вызовет не только локальные увеличения плотности и нелинейные явления, но и разрывы сплошности, т.е. кавитацию. Кавитация, в свою очередь, вызывает появление вихревых образований малой плотности и высокой температуры, которые стимулируют вынос на поверхность масс придонной воды.
5) Высокая скорость движения участков дна при его колебаниях любой траектории вызывает нелинейные течения вплоть до "акустического ветра". Такие течения должны охватывать весь объем воды в области от дна до поверхности, при достаточной длительности события.
В любом случае, при развитии сейсмогенного апвеллинга, пробивающего сопротивление термоклина, происходит нарушение стратификации и с необходимостью генерируются мощные ВВ.
Можно оценить энергию возникающих сейсмогенных ВВ. Очевидно, что начальная деформация зоны скачка плотности с хорошим приближением идентична деформации дна. Тогда, при условии, что и на поверхности воды происходит такая же деформация, отношение энергии, поглощенной слоем скачка плотности к энергии, поглощенной поверхностью воды:
Можно увеличить точность оценки, учтя различные факторы: влияние смещения частиц воды на поверхности за счет ухода боле быстрой поверхностной волны и т.д. Более существенным является то, что при локальном разрушении стратификации над зоной подвижки, из самых общих соображений, на более близких к ней поглощающих (стратифицированных) слоях воды должна выделиться энергия, близкая по порядку величины к той, что вызвала поверхностную волну. При этом, учитывая демпфирующие свойства термоклина, можно предположить, что сопутствующие землетрясению слабые толчки целиком поглощаются слоем скачка плотности, полностью переходя в энергию внутренней волны. То же относится и к обнаруженным недавно интенсивным излучениям инфразвука (частотой 0,05…0,4 Гц) при подводных землетрясениях.[4, - С.139, 313]
Реальный профиль и динамику колебаний дна учесть невозможно, даже при значительных модельных упрощениях. Например, при однократном движении типа "поршень" с остаточной деформацией возможны, в зависимости от указанных факторов: "упругая" деформация зоны скачка плотности, долговременный разрыв зоны стратификации над зоной колебания с выносом масс воды с глубины на поверхность и образование заметной поверхностной волны и т.д. Подпитка колебаний при движении типа "мембрана" и особенно, при т.н. "бегущей подвижке", наиболее похожей на реальные события, может, в определенных условиях, вызвать резонансные явления и стоячие волны. В случае колебаний на дне естественного волновода возможна фокусировка и усиление ВВ с последующим разрушением слоев и выходом на поверхность.
Несмотря на большое количество существующих моделей, реальное существование указанных событий подтверждено лишь в недавнее время: выявлены наблюдениями со спутников холодные аномалии температуры поверхностных вод Мирового океана, вызванные подводными землетрясениями. Результаты этих исследований дают еще один ключ к пониманию особенностей пятнистого поля температуры поверхностных вод Мирового океана, не находивших до настоящего времени уверенного объяснения. Также установлен факт значительного влияния временного закона движения дна при подводном землетрясении на анизотропию излучения энергии источником землетрясения, которая ранее связывалась только с геометрическими параметрами очага. Установлено, что анизотропия излучения энергии асимметричным очагом с удалением от источника сохраняется и не исчезает на расстояниях, сравнимых с линейными размерами очага. [4, – С. -110 – 230].