Отзыв оппонента 2 (Динамическая и статическая модели генерации поверхностных гравитационных волн в океане землетрясениями)

Экз. ___Отзыв официального оппонента на диссертациюСеменцова Кирилла Александровича«Динамическая и статическая модели генерации поверхностныхгравитационных волн в океане землетрясениями»,представленную на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукпо специальности 25.00.29 «Физика атмосферы и гидросферы»Диссертационная работа К.А. Семенцова посвящена актуальной проблеме совершенствованию статической модели генерации гравитационных волн в океанена основе точных аналитических решений и развитию представлений одинамической генерации гравитационных волн в океане сейсмическимидвижениями дна.

Полученные автором результаты, безусловно, представляютбольшое теоретическое и прикладное значение.Современные методы исследования гравитационных волн (цунами)основаны на теории мелкой воды и её обобщениях. Уравнения нелинейнойтеории мелкой воды, реализованные численно, позволили смоделировать цунамимногих исторических событий и получить адекватные оценки. Описаниераспространения волн цунами в открытом океане проработано наиболее полно и внастоящее время является уже делом техники. Существуют программныекомплексы, в которых реализованы нелинейные (слабодисперсионные) уравнениямелкой воды (комплексы TUNAMI-N2 и версия для сферичных координатTUNAMI-F2), также комплексы, в которых реализованы нелинейные уравненияБуссинеска (FUNWAVE, GEOWAVE) позволяющие учитывать дисперсию волнцунами.

В последнее время, ввиду быстрого наращивания вычислительныхмощностей научными и промышленными организациями, начали использоватьсяи более сложные модели, основанные на уравнениях Навье-Стокса (пакет ЛОГОС).Физическая постановка наката цунами на берег также не представляет сложности,однако известные трудности представляют учет обрушения, турбулентности иописание взаимодействия воды и воздуха. Для расчета затопления имеютсячисленные модели, качество применения которых ограничивается степеньюдетальности топографии района и доступностью вычислительных ресурсов.В противоположность стадиям распространения и наката совсем инаяситуация обстоит с источником цунами, описание которого до сих пор являетсянерешенной задачей.

Даже для цунами сейсмического происхождения, которыемоделируют больше всего, напрямую процесс генерации не считают, а используютмеханизм генерации возмущения на поверхности воды, форма которогоаналогична остаточным деформациям дна. Сами же остаточные деформациирассчитываются на основании параметров очага землетрясения по формуламОкады.

Эта модель, естественно, не учитывает возможность дополнительноговклада в источник, например от оползней и обвалов морского дна,1спровоцированных землетрясением, а такой вклад может быть весьмасущественным.Именно изучение механизмов генерации свободных гравитационных волн вокеане стоит отметить как особую заслугу настоящей диссертационной работы.Диссертантом получено новое аналитическое решение задачи о расчетеначального возвышения в очаге цунами, вызванного деформацией плоскогонаклонного дна, обнаружен эффект и изучен физический механизм генерациисвободных гравитационных волн в океане пакетом низкочастотных поверхностныхсейсмических волн.

Методами численного моделирования установлено, чтомеханизм генерации наблюдаемых свободных гравитационных волн имеетдинамическую природу. На основе численных экспериментов выявлена рольвертикальных и горизонтальных компонент движения дна в генерациинаблюдаемых свободных гравитационных волн. Все это, действительно, расширяетнаше понимание о процессе генерации волн цунами и относится кфундаментальным физическим исследованиям в области физики гидросферы.Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, раздела «Основныерезультаты диссертации», списка цитируемой литературы, списка работ автора потеме диссертации и приложения. Основная часть работы включает 49 рисунков и 3таблицы, приложение – 10 рисунков.

Список цитируемой литературы содержит 92наименования. Объем диссертации 127 страниц.Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цели изадачи диссертации, приводятся положения, выносимые на защиту,обосновывается научная новизна работы, показывается ее практическаязначимость, а также приводится информация об участии автора в научноисследовательских проектах, конференциях и количестве опубликованных статей.В первой главе приводится обзор литературы по обсуждаемым вдиссертации вопросам. Описываются современные представления о генерациицунами землетрясением, рассказывается о традиционных приближениях дляописания этого процесса. Здесь же приводятся сведения о современном состояниисетей глубоководных измерителей уровня моря, делается акцент на описаниисетей DONET и DART, данные которых используются в диссертационной работе.Вторая глава посвящена развитию статической модели генерации цунами.В рамках статической модели начальное возвышение поверхности воды, какправило, полагается равным вертикальной компоненте остаточных деформацийдна.

Такой подход не позволяет учесть «сглаживающий эффект» водного слоя ивклад горизонтальных компонент вектора деформаций неровного дна.Пренебрежение этими факторами ведет к значительным ошибкам в расчетеначального возвышения в очаге цунами, и к насыщению начального возвышениякоротковолновыми компонентами, отсутствующими в реальности. Дляустранения этих дефектов найдено аналитическое решение задачи о расчетеначального возвышения водной поверхности, вызванного мгновеннойдеформацией плоского наклонного дна.

Проведено сравнение начальныхвозвышений водной поверхности, вызванных эквивалентными деформациямиплоского наклонного и плоского горизонтального дна. Показано, что при2типичных уклонах дна (до 0.3) разница между этими начальными возвышениями(в терминах потенциальной энергии) не превышает 2%. Путем сравненияаналитических решений задачи о начальном возвышении для наклонного игоризонтального дна обосновано применение последнего в аналитико-численномалгоритме расчета начального возвышения водной поверхности в реальных очагахцунами.Третья глава посвящена эффекту генерации свободных гравитационныхволн в океане поверхностными сейсмическими волнами.

Здесь представленырезультаты совместного анализа записей донных сейсмометров и донных датчиковдавления, выполненных глубоководными станциями DONET во времякатастрофического землетрясения Тохоку 11 марта 2011 г. у побережья Японии. Наоснове совместного анализа записей донных сейсмометров и донных датчиковдавления глубоководных станций DONET обнаружен эффект генерациисвободных гравитационных волн в океане пакетом низкочастотных поверхностныхсейсмических волн. На основе записей акселерометров глубоководных станцийDONET и наземных GPS-станций, расположенных на полуострове Кии,восстановлена динамика движения океанического дна вблизи области постановкистанций DONET при катастрофическом землетрясении 11 марта 2011 г.Выполненытеоретическиеоценки,показывающие,чтосвободныегравитационные волны в океане могут возбуждаться поверхностнымисейсмическими волнами только при прохождении последних через локальныенеоднородности дна.

При этом определяющую роль играет динамика движенийдна, а не остаточные смещения. Предложен механизм генерации свободныхгравитационных волн, связанный с перестройкой вынужденного возмущения наскачке глубин. Получены аналитические выражения для амплитудгравитационных волн, возникающих в рамках этого механизма. Анализполученных выражений показывает, что этого механизма недостаточно, для тогочтобы объяснить наблюдаемые значения амплитуд. Предложен механизмгенерации свободных гравитационных волн, связанный с горизонтальнымиколебаниями подводных склонов.

Значения амплитуд свободных гравитационныхволн, оцененные в рамках данного механизма, совпадают по порядку величины снаблюдаемыми значениями.В четвертой главе рассматриваются результаты численного моделированиягенерации свободных гравитационных волн в заливе Сагами и вблизи полуостроваКии. Динамика движений дна, необходимая в качестве входных данных длячисленного моделирования, восстанавливается в указанных областях различнымиметодами. В рамках линейной потенциальной теории выполнено трехмерноечисленное моделирование генерации свободных гравитационных волн(предшественников цунами) пакетом поверхностных сейсмических волн в областипостановки станций DONET.

Результаты численного моделирования находятся вхорошем соответствии с данными наблюдений. Результаты численногомоделирования подтверждают предположение о том, что возбуждение свободныхгравитационных волн в океане поверхностными сейсмическими волнамипроисходит в областях с переменным рельефом дна. Результаты численных3экспериментов подтвердили предположение о том, что механизм генерациипредшественников цунами имеет динамическую природу.

При этом вкладостаточных деформаций в амплитуду предшественников цунами составляет около10%. На основе восстановленной динамики движений дна в рамках линейнойпотенциальной теории выполнено трехмерное численное моделированиепроцесса генерации поверхностных гравитационных волн в области заливаСагами.В пятой главе исследуется, насколько распространен эффект генерациисвободных гравитационных волн поверхностными сейсмическими волнами.Показано, что данный эффект имеет широкое распространение, а обнаружениепредшественников цунами в дальней зоне указывает на динамический механизмих генерации.Высоко оценивая диссертационную работу в целом, хочу отметитьследующие недостатки (не заостряя внимание на небольшом количествеграмматических и технических ошибок):1.