Фізика цунамі: від морського дна до берега

3D Simulations

🌊 Науки про Землю · Фізика хвиль

📅 Березень 2026⏱ 11 хв🟡 Середній · Останнє оновлення: 28 травня 2026 р.

Фізика цунамі: від морського дна до берега

У відкритому океані цунамі ледь помітне — заввишки 1 метр, рухається зі швидкістю 800 км/год, із довжинами хвиль 200 км. Через години, входячи на мілководдя, воно сповільнюється до 50 км/год і здіймається до 30 метрів. Фізику цього перетворення керує одна елегантна формула.

Автор: Команда MySimulator · Редакційна перевірка: Редакція MySimulator

1. Механізми утворення

Цунамі породжується будь-яким раптовим великомасштабним зміщенням водної маси:

Підводні землетруси (80% цунамі): насувні розломи піднімають або опускають морське дно на площах у тисячі км². Лише землетруси з M ≥ 7,5 на насувних розломах породжують значні цунамі. Вертикальне зміщення морського дна безпосередньо передається стовпу води — увесь стовп рухається вгору чи вниз як єдине ціле. Індійський океан 2004 (M9,1): вертикальне зміщення розлому ~5 м по всій зоні розриву ~1 200 км.
Підводні зсуви: можуть породжувати сфокусованіші, локально катастрофічні хвилі. Мегацунамі затоки Літуя 1958 року (Аляска) — спричинене обвалом породи — створило хвилю, що накотила на 524 метри вгору протилежним схилом. Зсув Гранд-Бенкс 1929 року породив руйнівне трансатлантичне цунамі.
Вулканічні обвали: обвали кальдер або обрушення схилів. Виверження Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай 2022 року породило цунамі через поєднання атмосферної хвилі тиску й прямого обвалу кальдери.
Удари метеоритів: підтверджених історичних прикладів немає, але моделювання показує, що астероїд діаметром 200 м, що впав би в океан, породив би руйнівні прибережні хвилі по всьому світу.

2. Теорія мілководних хвиль

Хвиля є «мілководною», коли її довжина λ ≫ глибина води h (зокрема, h < λ/20). Для цунамі:

Швидкість мілководної хвилі: c = \sqrt(g \cdot h) g = 9.81 м/с² h = глибина води (м) Середня глибина Тихого океану = 4 000 м: c = \sqrt(9.81 \times 4 000) = \sqrt39 240 \approx 198 м/с \approx 713 км/год Глибока океанська западина (Маріанська, h = 11 000 м): c = \sqrt(9.81 \times 11 000) \approx 1 039 км/год Чому цунамі — «мілководні» хвилі: Глибина океану \approx 4 км Довжина хвилі цунамі \approx 200 км h/λ \approx 4/200 = 0.02 << 1/20 ✓ (упевнено в мілководному режимі) Порівняння з вітровими хвилями: Глибина океанської зибі \approx 4 км, довжина хвилі \approx 100 м h/λ \approx 40 >> 1 (глибоководний режим) c = \sqrt(gλ/2π) — зовсім інша фізика

3. Поширення в океані

Оскільки c = √(gh), цунамі сповільнюється на мілкішій воді й прискорюється над глибшою. Це створює рефракцію — фронт хвилі згинається, щоб слідувати ізолініям глибини, подібно до згинання світла в оптиці.

Ключові особливості поширення у відкритому океані:

Мала амплітуда у відкритому океані: цунамі в Індійському океані 2004 року мало висоту хвилі лише 60 см у глибокому океані на півдорозі до Африки. Супутники (TOPEX/Poseidon, Jason-1) виміряли хвилю, коли вона проходила.
Велика довжина хвилі: довжина хвилі 100-500 км означає, що немає одного «удару» — рівень моря піднімається протягом хвилин, а не секунд.
Збереження енергії: під час цунамі 2004 року енергія хвилі була виявлена на тихоокеанському узбережжі Північної Америки, за 20 000 км від джерела.
Розщеплення хвиль на хребтах: ланцюги підводних гір та серединно-океанічні хребти відбивають і заломлюють хвилі цунамі, створюючи складні інтерференційні візерунки біля узбереж.

4. Наростання та підсилення

Коли цунамі наближається до берега і глибина зменшується, воно різко сповільнюється. Енергія зберігається, тож зменшення швидкості хвилі має компенсуватися зростанням амплітуди — наростання хвилі (шоалінг):

Закон Гріна для підсилення при наростанні: H₂/H₁ = (h₁/h₂)^(1/4) H = висота хвилі, h = глибина води Від океану (h₁=4 000м, H₁=1м) до прибережжя (h₂=10м): H₂ = 1 \times (4000/10)^(1/4) = 1 \times (400)^0.25 = 1 \times 4.47 \approx 4.5 м Далі нелінійні ефекти й тертя ще більше змінюють накат. Реальне підсилення може бути значно більшим через прибережну геометрію: V-подібні затоки концентрують енергію хвилі Тохоку 2011: глибокі затоки підсилили хвилі до понад 40 м у деяких місцях

Ефект «відступу»: перед приходом цунамі море часто різко відступає — провідна западинна хвиля відтягує воду від берега. У 2004 році цей видимий відступ (море відходило на сотні метрів) стався за хвилини до удару хвилі, давши вирішальне, але коротке попередження тим, хто розпізнав ознаку. Багато людей із цікавості пішли до оголеного морського дна замість того, щоб тікати на високу місцевість.

5. Накат та затоплення

Висота накату R (вимірювана над рівнем моря в найдальшій точці вглиб суходолу) — це те, що визначає руйнування. Це не просто висота хвилі — вона сильно залежить від прибережної батиметрії, рельєфу й довжини хвилі.

Максимальний накат (нелінійне мілководдя, похилий пляж): R / H \approx 2.831 \times (H/λ)^(-1/2) \times tan(нахил)^(-1/2) Помітні історичні накати: Індійський океан 2004: макс. понад 30 м (Суматра), середній 5-8 м Тохоку 2011: макс. 40.1 м (Міяко, Японія), середній 10-15 м Затока Літуя 1958: 524 м (мегацунамі від обвалу породи) Кракатау 1883: 35 м (обвал вулканічної кальдери) Моделювання затоплення використовує: • Нелінійні рівняння мілководдя (модель NSWW/MOST) • Усереднені за глибиною скінченнорізницеві розв'язувачі • Валідовані даними мареографів та польових обстежень • Батиметрію GEBCO (роздільність 1 кутова хвилина по всьому світу)

6. Виявлення та раннє попередження

Тихоокеанський центр попередження про цунамі (PTWC) та мережа буїв DART (Глибоководне оцінювання й сповіщення про цунамі) NOAA забезпечують основну інфраструктуру попередження:

Сейсмічне виявлення: магнітуду землетрусу й фокальний механізм визначають протягом 3-5 хвилин. Поріг магнітуди (M7,5+, насувний розлом, підводний) запускає тривогу про цунамі. Може дати 5-60 хвилин попередження для віддалених узбереж.
Буї DART: 39 буїв у Тихому, Атлантичному та Індійському океанах. Донний реєстратор тиску (BPR) на глибині ~5 000 м вимірює висоту поверхні моря з точністю 0,01 мм. Виявляє цунамі заввишки 1 см у відкритому океані. Дані передаються акустичним модемом на поверхневий буй → супутник → центри попередження приблизно за 15 секунд.
Прибережні мареографи: підтверджують прихід цунамі й дають амплітуду в реальному часі в конкретних місцях. Понад 1 000 мареографів у світі.
Прибережна GPS-геодезія: донні GPS-масиви (особливо в Японії) вимірюють деформацію морського дна в реальному часі, покращуючи моделювання джерела й ранні оцінки висоти.

7. Інженерія зменшення наслідків

Хвилерізні бар'єри: Японія збудувала 400 км бетонних хвилерізів заввишки до 12,5 м після катастрофи 2011 року. Цунамі 2011 року перехлюпнуло через багато наявних стін заввишки 6-8 м. Деякі нові стіни витримали б подібну подію; інші все одно були б перехлюпнуті накатом у 40 м.
Вертикальні евакуаційні споруди: залізобетонні вежі заввишки понад 20 м, призначені для укриття людей, які не встигають дістатися високої місцевості. Використовуються в Японії, Індонезії та на тихоокеанському узбережжі США.
Прибережні парки й ліси: густа рослинність (мангри, дерева казуарини) зменшує швидкість цунамі й перенесення уламків. Моделювання показує, що ліси завширшки 30 метрів і завглибшки 100 метрів зменшують швидкість потоку на 50% і силу на 75%.
Планування землекористування: зони відступу, що забороняють житлове будівництво в зонах затоплення. Найефективніша довгострокова стратегія зменшення наслідків.
Імовірнісний аналіз небезпеки цунамі (PTHA): аналогічний аналізу сейсмічної небезпеки — обчислення ймовірності перевищення заданої висоти накату в будь-якій прибережній точці за 50- чи 100-річний інтервал. Потрібен для розміщення атомних електростанцій, терміналів ЗПГ та критичної інфраструктури.