Введение к работе
Актуальность темы. Среди разнообразных стихийных бедствий, которым подвержено Тихоокеанское побережье России, наиболее опасными по своим последствиям считаются гигантские морские волны - пунами, вызываемые подводными землетрясениями, вулканическими взрывами, оползнями и другими причинами. Цунами особенно часто возникают в Тихом океане, что связано с высокой активностью Тихоокеанского сейсмического пояса. Периоды волн цунами лежат в пределах 102 — lC'c (2 - 200 мин), а скорость распространения хорошо описывается формулой Лагранжа-Эри с = у/дН. т. с. зависит от глубины океана Н. и составляет обычно 200 м/с. Длина волны цунами имеет порядок 10 -1000 км.
Благодаря большой длине и малой амплитуде (не более 1 м вдали от берега) волны цунами в открытом океане не заметны и не представляют никакой опасности. Губительные свойства цунами проявляются у берега, при их выходе на мелководье, где высота волн быстро нарастает. Эти большие полны, амплитуда которых в отдельных случаях может достигать десятков метров, и представляют главную опасность, производя разрушительное воздействие на побережье. Ущерб, причиняемый цунами побережью Дальнего Востока оказывается существенным.
В связи с этим возможность заблаговременного обнаружения возникших волн цунами представляется чрезвычайно важной. Главная угроза пунами Тихоокеанскому побережью исходит из сейсмической зоны, расположенной !! районе Курнльско-Камчатокоп впадины. С того момента, коїла разрушительные волны, возникшие и пом районе, достигнут прибрежной зоны, остаются десятки минут, а иногда и час. '.Отого времени достаточно, что обнаружить пунами и принять меры для предотвращения ее разрушительных пос.іспспіпй.
Принципиальной основой современной службы пунами является ги-
.1
дуофлзический метод, состоящий в измерении гидродинамических характеристик уже возникших волн (превышение уровня, вектор скорости частиц жидкости и др.). Этот метод требует для выделения и уверенной регистрации сигнала времени порядка периода волны. Приблизительно за это же время волны цунами, зарождающиеся б зоне Курило-Камчатского глубоководного желоба, успевают дойти до побережья. Дефицит времени можно попытаться скомпенсировать увеличением числа измеряемых параметров, связанных с явлениями, сопутствующими или предшествующими волнам цунами. Именно поэтому стоит вопрос о поисках и изучении эффектов, сопровождающих процессы возникновения, распространения и выхода на берег волн типа цунами и разработке нетрадиционных методов их обнаружения в открытом океане.
Одним из сопутствующих эффектов, который может рассматриваться в качестве предвестника волн цунами, является электромагнитное поле (ЭМП). индуцируемое при движении морской воды в магнитном поле Земли (МПЗ).
Возмущения МПЗ; вызванные длиннопериодными волнами типа цунами, с одной стороны могут быть использованы для получения дополнительной информации о самой волне, с другой стороны - выступать в качестве предвестников прихода этих волн на побережье. Вертикальная компонента геомагнитных вариаций опережает максимум гидродинамической полны. Выигрыш по прсменн при этом может составить несколько минут пли даже десятков минут, что крайне важно при организации предупредительных мероприятий.
Наблюдение геомагнитных вариаций, индуцированных волнами цунами, может быть затруднено тем. что вариации того же диапазона частот могут быть пызианы ионосферными возмущениями. Геомагнитные ноли ионосферного происхождения и средних широтах имеют амплитуды іюрялка 1 100 гамм. '1 . с. амплитуда этих иарнашій бывает больше ам
пли гуды возмущений, вызываемых волнами цунами. Однако, поля волн пунами имеют ряд характерных признаков, отличающих их от вариаций ионосферного происхождения. Большинство волновых возмущений в ионосфере отличается от ЭМП волн цунами пространственно-временными характеристиками. Кроме этого, в ионосфере существуют срсднсмас-штабные и крупномасштабные перемещающиеся волновые возмущения электронной концентрации, которые чаще всего объясняют прохождением через ионосферу внутренних гравитационных волн. Электромагнитные поля таких возмущений могут иметь характеристики, близкие к соответствующим характеристикам полей волн пунами. В связи с этим представляет практический интерес сравнительный анализ вариаций геомагнитного поля, индуцированных волнами цунами и перемещающимися волновыми возмущениями в ионосфере.
Целью работы является теоретическое исследование возможности обнаружения электромагнитных предвестников прихода разрушительных волн типа цунами. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
1. Разработать хюстаточно простой и адекватный метод опенки возмущений магнитного поля Земли длинными волнами а океане с учетом сложного геоэлектрнческого разреза.
'1. Провести расчет для некоторых типичных моделей гидродинамического источника.
3. Оценить возмущения геомагнитного ноля от волн, порождаемых землетрясениям», модельный очаг которых отражает основные свой-гтпл смешения дна и результате подвижек земной коры.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит п том. что
сформулирована приближенная система уравнений и граничных уело мни. позволяющая оценивать возмущения МПЗ длинными волнами.
В отличие от используемых ранее приближений, также решаемых на основе теории мелкой воды, а предложенной модели удастся рассчитать изменение поля с глубиной;
* в рамках предложенной модели вычислена функция Грина для ги
дродинамического источника н приведены оценки возмущений МПЗ
для одиночной волны и пакета волн, в том числе, с учетом затуха
ния;
в впервые исследованы электромагнитные возмущения генерируемые волнами, вызываемые землетрясением, очаг которого описывается достаточно реалистической моделью сдвиговой дислокации;
в рассчитаны геомагнитные вариации, вызванные перемещающимся волновым возмущением в ионосфере. Выделены диагностические признаки, которые могут быть использованы для различения сигналов от гидродинамического и ионосферного источника;
* полученные результаты можно использовать для разработки мето
дов дистанционного заблаговременного обнаружения катастрофиче
ских волн цунами.
Достоверность полученных результатов обосновывается следующим образом:
-
Используется система квазистационарных уравнений электродинамики, возможность применения которых к задачам определения вариаций геомагнитного поля твердо установлена ранее. Разработанный приближенный метод математически обоснован и физически адекватен.
-
Выполняется принцип соответствия: результаты работы не противоречат тем. которые были получены другими авторами с нсполь
(!
зованисм других методов и в предельном случае переходят в них (в тех случаях, когда такой предельный переход возможен).
3. Результаты расчетов не противоречат известным экспериментальным данным.
На защиту выносятся:
-
Приближенный метод расчета возмущений геомагнитного поля длинными волнами.
-
Результаты расчетов возмущений магнитного поля Земли длинными волнами типа пунами, проведенных для различных моделей гидродинамического источника:
-
плоская волна с резко выраженным фронтом;
-
плоская волна 2а со сглаженным профилем;
-
плоская волна с гладким профилем в виде лоренцсва импульса;
-
цуг волн прямоугольной формы:
(с) затухающий волновой пакет с головной волной максимальной амплитуды;
(f) симметричный затухающий волновой пакет;
(к) волна, возбуждаемая землетрясением, очаг которого описывается моделью сдвиговой дислокации.
3. Результаты расчетов геомагнитных вариаций, индуцируемых перемещающимся волновым возмущением в ионосфере.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были иредствлены на П. Ш. V и VI Всероссийских научных конференциях студентов-физиков в г. Екатеринбурге и г. Томске. IX Международной
конференции студентов-физиков в г. Санкт-Петербурге, трех Региональных сстсстзснно-нгучных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых (ДВГУ). трех Всероссийских межвузовских научн.-тсхн. конференциях (ТОВМИ им. СО. Макарова). Научн.-тсхн. конференции по межвузовской региональной науч.-техн. программе "Научно-технические и социально-экономические проблемы развития дальневосточного региона Российской Фсдсрацшг'в г. Хабаровске. Международной конференции "Стихия. Строительство. Безопасность." (г. Владивосток). Всероссийском симпозиуме "Ссйсмоакустика переходных зон" (г. Владивосток) и XXV Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества в г. Ницца. Франция.
По теме диссертационной работы опубликованы 7 статей в научных журналах и сборниках докладов конференций, а также 8 тезисов докладов, которые были представлены на региональных, всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемой литературы из 129 наименований и двух приложений. Она изложена на 107 страницах машинописного текста, иллюстрируется 27 рисунками.
