Цунами: Фізика від розлому дна океану до руйнування узбережжя

Как возникает цунами

Приблительно 80% цунами возникают из-за подводных землетрясений на наклонно-сдвиговых разломах, где морское дно внезапно поднимается или опускается над площадью в тысячи квадратных километров — землетряссение в Индийском океане 2004 года (M9.1) подняло морское дно примерно на 5 метров по разлому длиной 1200 км, и это смещение передается непосредственно в водяной столб, находящийся над ним. Подводные оползни могут быть еще более локально сильными: обрушение скал в заливе Литуга в Аляске выбросило волну, которая поднялась на 524 метра на противоположном склоне. Обрушения кальдер вулканов (извержение Хунга-Тонга в 2022 году) и, в принципе, крупные столкновения с метеоритами завершают список триггеров.

Understanding Shallow Water Waves

A wave is classified as a shallow-water wave whenever its wavelength λ is much greater than the water depth h — specifically h < λ/20. A tsunami's wavelength is typically 100-200 km, dwarfing even the deepest ocean trenches, so despite crossing genuinely deep water it behaves according to the shallow-water speed formula rather than the deep-water formula that governs ordinary wind swell.

This means that the wave’s shape and behavior are primarily influenced by the bottom topography – the seabed – rather than the depth of the water itself. This is why tsunamis, despite their immense size and travel distances, can be accurately modeled using shallow-water theory.

c = √(g·h)           g = 9.81 m/s²

Pacific average depth 4,000 m:  c = √(9.81 × 4000) ≈ 198 m/s ≈ 713 km/h
Mariana Trench, 11,000 m:       c = √(9.81 × 11000) ≈ 1,039 km/h

Tsunami:  h/λ ≈ 4 km / 200 km = 0.02  ≪ 1/20  → shallow-water regime
Wind swell: h/λ ≈ 40 ≫ 1               → deep-water regime, different physics

Shoaling: how a 1 m swell becomes a 4.5 m wall

As the seafloor rises toward shore, c = √(gh) falls fast — and because energy flux is conserved, the wave amplitude must rise to compensate. This is Green’s Law, the shoaling relation that turns an imperceptible open-ocean swell into a destructive coastal wave. The 2004 Indian Ocean tsunami measured only about 60 cm in the deep ocean, tracked by satellite altimeters, yet reached run-ups above 30 m on Sumatra; the 2011 Tōhoku tsunami hit 40.1 m at Miyako, amplified further where V-shaped bays funnel wave energy inward.

H₂/H₁ = (h₁/h₂)^(1/4) Green’s Law

Ocean (h₁=4000 m, H₁=1 m) → shelf (h₂=10 m):

H₂ = 1 × (4000/10)^0.25 = 1 × 4.47 ≈ 4.5 m

Before the wave arrives, the sea often recedes dramatically — a leading depression wave drawing water offshore, sometimes hundreds of metres, minutes before the crest strikes. Recognising that drawback is one of the few pieces of natural, self-generated warning coastal residents get.

H₂/H₁ = (h₁/h₂)^(1/4)          Green's Law

Ocean (h₁=4000 m, H₁=1 m) → shelf (h₂=10 m):
H₂ = 1 × (4000/10)^0.25 = 1 × 4.47 ≈ 4.5 m

Обнаружение: буи DART и передача информации за 15 секунд

Сеть DART (Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis) NOAA — 39 буев в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах — оснащена датчиком давления на дне, расположенным на глубине около 5000 м, который способен обнаруживать цунами толщиной 1 см и передавать информацию посредством акустической модемы к поверхностному бую и затем через спутник в центры предупреждения об опасности примерно за 15 секунд. В сочетании с сейсмическим обнаружением, которое определяет магнитуду землетрясения и механизм разлома внутри 3-5 минут, это может предоставить удаленным берегам от 5 до 60 минут предупреждения.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.