Fizikai Szemle borítólap

Tartalomjegyzék

Fizikai Szemle 2006/1. B3.o.

A CUNAMI

A cunami (japánul "cu" = kikötő, "nami" = hullám) egy óceánfelszíni hullámfajta, amely a nyílt vízen rendkívüli sebességgel terjed, de ott csekély magassága miatt például hajókról alig észrevehető. A part közeli sekély vízben azonban lelassul, több méter magasságúra torlódik fel, és a partra csapva akár kilométeres mélységben okozhat óriási pusztítást. Éppen emiatt övezi különleges figyelem a cunamikkal kapcsolatos ismereteket, ugyanis a remények szerint jobb megértésük elősegítheti a károk csökkentését, a 2004-es szumátraihoz hasonló katasztrófák esetleges megelőzését.

A cunamik 86%-át tenger alatti földrengések okozzák. Jól ismert tény, hogy a földrengések hely szerinti eloszlása nem egyenletes, a szilárd kéreg mozgó tektonikus lemezeinek határán különösen nagy az aktivitás. Az 1. ábra mutatja, hogy 10 év rengési epicentrumainak térképen történő ábrázolása a vulkánokkal együtt meglehetősen jó képet ad a kéreglemezek elhelyezkedéséről. Nem csoda hát, hogy a legnagyobb feljegyzett cunamik forrása is ezen "forró zónákban" található.

Nem mindegyik erős földrengés okoz veszélyes nagyságú cunamit. Ennek oka, hogy a hasonló hullámok keltéséhez a vízfelszín lökésszerű, jelentős nagyságú kiemelkedése szükséges. Ez viszont csak akkor következik be, ha a földrengés során megcsúszó kéreglemezek elmozdulásának elegendően nagy a függőleges irányú komponense (2. ábra). A földrengések mellett cunamit okozhatnak a tenger alatti földcsuszamlások (ilyen következett be 1998-ban Pápua Új-Guinea partjai mentén), vulkáni tevékenység (Hawaii környékén gyakori), vagy a tengerbe csapódó nagyméretű aszteroidák (ilyenről modern megfigyelés szerencsére nincs).

1. ábra

A cunamik előfordulása egyáltalán nem olyan ritka, mint gondolnánk (3. ábra). Szerencsére többségük nem okoz károkat, mert a part menti legnagyobb hullámmagasságuk nem haladja meg az adott helyen jellemző árapály- ingadozás, vagy a szokásos viharok hullámainak nagyságát, amire a part menti építményeket méretezték.

A vízfelszíni hullámok fizikája jelentős múltra tekint vissza. A súrlódásmentes folyadékok mozgásegyenletét Euler 1755-ben írta fel. (Az csak véletlen, hogy ugyanebben az évben az Európa környékén valaha feljegyzett legerősebb cunami - a kiváltó földrengéssel együtt - teljesen lerombolta Lisszabont, a közvetlen áldozatok számát az akkori 250 ezres lakosság negyedére becsülik.) A cunamihoz hasonlóan "elkent", viszonylag csekély magasságú, gyengén csillapodó, alakját őrző hullámformát John Scott Russel "fedezte fel" 1834-ben. E nemlineáris hullámok viselkedését jól közelíti a Korteweg-deVries-egyenlet (1895), melynek első analitikus (szoliton ) megoldása csak mintegy ötven éve ismert. A cunamik fizikája lényegében nem különbözik a "közönséges" felszíni hullámokétól, a viszonylag jól értett jelenségek közé tartozik.

2. ábra 3. ábra

A viharos szél által keltett felszíni hullámok 100-200 méteres tipikus hullámhosszához képest a cunamik vízszintes kiterjedése sokszorosan nagyobb, jellemzően 100-500 kilométer (nem elírás). Minthogy az óceánok mélysége nem nagyon haladja meg az 5-6 kilométert, a cunamik terjedésének jellemzésére jól használhatóak az úgynevezett "sekély folyadék" egyenletek. Eszerint a c terjedési sebességüket lényegében a h vízmélység határozza meg a egyszerű formulának eleget téve (g a nehézségi gyorsulás), ez körülbelül 800-1100 km/h értékű, ami megfelel egy utasszállító repülőgép sebességének. A nagy kiterjedés és szédítő sebesség mellett csúcsmagasságuk a nyílt vízen alig haladja meg a néhány decimétert. A hasonlóan szétkent, lapos hullámok a szomszédos folyadékelemek rendkívül csekély relatív elmozdulásával terjednek, ezért a belső súrlódás (viszkozitás) szerepe elhanyagolható: ha csak a víz belső súrlódása fékezné a cunamikat, lecsengésükhöz több száz évre lenne szükség.

A mélységfüggő sebesség a part közelében szükségképpen lassuláshoz vezet, a hullám eleje lefékeződik. Ez a kontinuitás miatt torlódáshoz vezet: a szállított energia egyre rövidebb, ám egyre magasabb hullámhegyben összpontosul. Tetszőleges magasságú hullámok azonban nem alakulhatnak ki, mert egy kritikus frontoldali meredekség elérése esetén a hullám hegye átbukik, és lejátszódik a hullámtörés jelensége. Az átbukáshoz tartozó kritikus ac magasságot szintén a vízmélység határozza meg elsődlegesen. A kísérletek és numerikus szimulációk segítségével megerősített empirikus összefüggés minden esetben teljesülni látszik. Ezen egyszerű összefüggés ismeretében gyaníthatjuk, hogy - például az interneten oly kedvelt - felhőkarcoló magasságú "cunamik" nem fordulhatnak elő a valóságban, hiszen az legalább 200 méteres vízmélységet feltételez a part közelében, ez pedig valóságos tengeröblökben igen ritka.

A szumátrai katasztrófát követően ismét felvetődött egy világméretű cunamifigyelő és -figyelmeztető hálózat kiépítésének ötlete. Ezzel kapcsolatban a fő gond, hogy a földrengések mai tudásunk szerint egyáltalán nem jelezhetők előre. Minthogy nem minden rengés vált ki erős cunamit, a valódi veszély detektálásához tengerfenékre telepített nyomásérzékelők szükségesek. Az USA partjai mentén hat hasonló szonda már üzemel, de ez csak a Csendes-óceán medencéjében használható előrejelzésre. Biztató azonban, hogy ha egy földrengés a partoktól elegendően távol következik be, melynek hullámkeltő hatását nyomásmérő szondák is megerősítik, akkor a létrejött cunami terjedése viszonylag jól modellezhető. Japánban például igen komoly figyelmeztető rendszer üzemel, mert az előző száz évben feljegyzett 1043 kisebb-nagyobb cunami közül (3. ábra ) mintegy 200 Japán partjait közvetlenül is érintette.

Jánosi Imre
ELTE TTK Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék
Kármán Környezeti Áramlások Laboratórium