Автореферат (Горизонтальные движения водного слоя, сопровождающие генерацию и распространение волн цунами)

На правах рукописиНурисламова Гульназ НуровнаГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ДВИЖЕНИЯ ВОДНОГО СЛОЯ,СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ГЕНЕРАЦИЮИ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ЦУНАМИСпециальность 25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре физики моря и вод суши физического факультетаФедерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Московский государственный университет имени М.В.

Ломоносова».Научный руководитель:доктор физико-математических наукпрофессор РАН Носов Михаил АлександровичФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования «Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова»Официальные оппоненты:доктор физико-математических наукзав.

отделом нелинейных геофизических процессовТроицкая Юлия ИгоревнаФедеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральныйисследовательский центр Институт прикладной физики Российской академиинаук»доктор физико-математических наукзав. лабораторией гидродинамикипрофессор Зырянов Валерий НиколаевичФедеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт водныхпроблем Российской академии наук»Ведущая организация:Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институтокеанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук»Защита состоится 1 июня 2017 г.

в 16:00 на заседании Диссертационного СоветаД.501.001.63 по геофизике при Московском государственном университете имениМ.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, дом 1,строение 2, МГУ имени М.В. Ломоносова, физический факультет, аудитория _____.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотекиМГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д. 27).Автореферат разослан __________ 2017 г.Ученый секретарь Диссертационного Советакандидат физико-математических наук, доцент2В.Б.

СмирновОбщая характеристика работыАктуальность темы. Волны цунами представляют собой одну из наиболеемасштабных и опасных морских природных катастроф. Огромное число жертв иколоссальный материальный ущерб от цунами XXI века свидетельствуют о том, чтосовременный уровень понимания этого явления и способность человеческогосообщества противостоять ему все еще далеки от совершенства.При формировании прогноза цунами интерес, как правило, вызываетпотенциальная высота волн вблизи побережья.

Горизонтальными движениямиводного слоя интересуются реже. Вместе с тем в сообщениях центровпредупреждения о цунами встречаются указания на возможность опасныхприбрежных течений. Особо яркие горизонтальные течения и их последствия, такиекак формирование устрашающего вихря у побережья Японии или факт срыва сякорей американских подводных лодок на базе Гуам во время цунами 11 марта 2011 г,конечно, находят отражение в средствах массовой информации и исследуютсяспециалистами.С точки зрения физики вертикальные и горизонтальные движения водного слоя,ассоциирующиеся с цунами, представляют единое целое: уравнения теории длинныхволн записываются в переменных смещение поверхности и вектор скоростигоризонтального течения.

Но структура уравнений теории длинных волн такова, чтопри определенных допущениях они могут быть сведены к одному уравнениюотносительно смещения свободной поверхности. В этом случае поле горизонтальнойскорости течения оказывается как бы вторичным и необязательным для изучения. Ноотказ от одного из допущений, например, от допущения об инерциальности системыотсчета, уже не позволит свести систему уравнений теории длинных волн к одномуединственному уравнению. Мотивацией настоящего исследования в значительноймере послужило стремление проанализировать динамику цунами с учетомнеинерциальности – эффекта вращения Земли. Для решения этой задачигоризонтальные течения представляют особый интерес, т.к. именно они подверженыдействию силы Кориолиса.Далее выделим еще ряд причин, свидетельствующих об актуальности темыдиссертационной работы и определяющих ее практическую и научную значимость. Внастоящее время для прогноза цунами помимо сейсмических данных обязательнопривлекают гидрофизическую информацию о факте возникновения и параметрахволн цунами.

В качестве гидрофизической информации обычно используют данные овертикальных движениях водного слоя – колебаниях уровня океана, измеряемыхглубоководными или береговыми станциями. Горизонтальные движения водного слоятакже могут быть использованы для выявления волн цунами. Перспективностьиспользования этого типа данных обязана тому, что горизонтальные движения поамплитуде существенно превосходят вертикальные, – это прямое следствиесоотношения между вертикальным и горизонтальным масштабами рассматриваемогопроцесса. Кроме того, при уменьшении глубины океана амплитуда вертикальныхдвижений свободной поверхности в длинных волнах растет весьма медленно – всоответствии с законом Грина ~ H 1/ 4 , в то время как амплитуда горизонтальныхдвижений увеличивается значительно быстрее ~ H 3 / 4 .

Поэтому в мелководныхобластях горизонтальные течения, ассоциирующиеся с цунами, представляютсерьезную опасность даже при весьма небольшой амплитуде волн.Вихревые горизонтальные течения, формируемые деформациями дна в очагецунами под действием силы Кориолиса, исследовались в теоретических работах3российских авторов, опубликованных преимущественно в конце XX века. Но,сосредоточившись на остаточном вихревом течении, авторы этих работ оставили безвнимания более существенный эффект – остаточное смещение частиц воды погоризонтали, вызванное растеканием в океане объема воды, вытесненногокосейсмической деформацией дна.В исследованиях XXI века анализ проявления эффекта вращения Земли сталобычно сводиться к сопоставлению результатов численного моделирования динамикицунами с учетом и без учета силы Кориолиса.

Авторы численных исследований, какправило, ограничиваются заключением о том, что вклад силы Кориолисанезначителен и не проводят аргументированного физического анализа причиннаблюдаемых расхождений. Такое положение дел явилось дополнительным стимуломдля изучения проявлений вращения Земли в горизонтальных течениях,ассоциирующихся с генерацией и распространением цунами.Стремительное развитие техники глубоководных измерений позволило вначале XXI века резко увеличить число глубоководных измерителей уровня океана.Среди исследователей цунами наиболее широкую известность приобрела системаDART, включающая в себя в настоящее время около 60 действующих станций. Заединичными исключениями станции DART расположены на значительном удалениидруг от друга: расстояние между станциями обычно превышает длину волны цунами.Поэтому восстановление волнового поля по данным станций DART представляетсобой нетривиальную задачу, которая, вероятно, не имеет однозначного решения.

В2006-2011 гг. вблизи побережья п-ова Кии (о-в Хонсю, Япония) была развернута сетьглубоководных обсерваторий DONET (Dense Oceanfloor Network System forEarthquakes and Tsunamis)/JAMSTEC (Japan Agency for Marine-Earth Science andTechnology) [Kaneda, 2010], включающая в себя несколько десятков глубоководныхстанций, расположенных на расстоянии 15-20 км друг от друга. В противоположностьредкостоящим станциям DART, система DONET представляет собой «густую сеть»,которая позволяет различать детали волнового поля при прохождении цунами. Вчастности, группа близкостоящих измерителей открывает возможность прямоговосстановления горизонтальных движений водного слоя в волне цунами.Цели диссертационной работы:1.

теоретическоеизучениегоризонтальныхдвиженийводногослоя,ассоциирующихся с процессами генерации цунами землетрясением ираспространением волн в океане, с учетом силы Кориолиса;2. выявление горизонтальных движений при прохождении волн цунами понатурным данным.В соответствии с целями были сформулированы следующие задачи:1. Выбор модели, адекватно описывающей генерацию и распространение цунамиво вращающемся океане;2. Получение аналитических решений задач об остаточных гидродинамическихполях – следах цунамигенного землетрясения в океане;3.

Анализ структуры и свойств остаточных полей в зависимости от параметровисточника;4. Оценка влияния стратификации на остаточные поля;5. Изучение динамики формирования остаточных полей – процессагеострофической адаптации водного слоя, возмущенного динамическойдеформацией дна;46. Разработка метода восстановления горизонтальных движений водного слоя вволне цунами по данным густой сети глубоководных станций и применениеэтого метода к цунами Тохоку 2011, зарегистрированному станциями DONET.Научная новизна определяется оригинальными аналитическими решениями задач обостаточных гидродинамических полях, новыми закономерностями, которыесвязывают характеристики остаточных полей с параметрами задачи, выявлениемфизических механизмов, ослабляющих волны цунами во вращающемся океане,разработкой метода восстановления горизонтальных движений водного слоя поданным густой сети глубоководных станций и успешным применением этого методак цунами Тохоку 2011.Положения, выносимые на защиту:1.