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Tsunami. Wissenschaftliches Kinderlabor

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"Tsunami" - eine große Welle im Hafen. Übersetzung aus dem Japanischen.

Die Katastrophe begann um drei Uhr morgens mit einem heftigen Ruck. Es dauerte nur wenige Sekunden ... Nach 15 Minuten war ein starkes Geräusch vom Meer zu hören. Es schien, als würde das Meer an Land rasen. Von der Seite der Nehrung, wo sich die Gebäude des Robbengebiets befanden, ertönte ein schreckliches Knacken und Brüllen ... Im Morgengrauen sah die Nehrung völlig sauber aus, nur an einer Stelle war eine Art formloser Haufen zu sehen ...

Aus dem Tagebuch von P. Novograblenov, dem ersten sowjetischen Beobachter seismischer Ereignisse in Kamtschatka, 1923.

Lange vor dem Start

Weit entfernt von der Pazifikküste, in Leningrad, bauten Wissenschaftler im Gebäude des Staatlichen Hydrologischen Instituts ein neues Ust-Kamtschatsk. Natürlich war es nur ein Modell der Stadt, aber im großen Maßstab. Auf einem Teil der Kamtschatka-Bucht, der Mündung des Kamtschatka-Flusses, sind Stadtgebäude bis ins kleinste Detail nachgebildet – eine ganze Fläche von über 4000 km2 ist in einem kleinen Labor untergebracht. Die Küste und der Meeresboden des Modells bestehen aus Beton und das Land mit allen Details des Geländes besteht aus Plastilin. Wissenschaftler haben die gesamte Küste dicht mit Sägemehl bestreut. Elektrische Leitungen wurden ins Wasser gesenkt. Um das Ganze abzurunden, piepte irgendwo unter der Decke eine Filmkamera.

Was ist das? Ist es nicht ein Spiel? Warum sonst sinkt oder steigt der Boden unter der Wirkung von Druckluft, wie beim Blasebalg einer riesigen Ziehharmonika, und steigen Wellen in der Spielzeugbucht von Kamtschatka?

Wissenschaftler beschlossen, die Katastrophe zu wiederholen. 1923. Dann löste ein Erdbeben, das sich weit im Meer ereignete, eine hohe Welle aus, die an die Küste schwappte und die Stadt zerstörte.

Kamtschatka, die Kurilen und die japanischen Inseln, Sachalin, Alaska – schon aus einer einfachen Aufzählung lässt sich erkennen, dass Tsunamis am häufigsten im Pazifischen Ozean auftreten. In den Gewässern des größten Ozeans erwachen jedes Jahr Dutzende Vulkane, es kommt zu starken Erdbeben, und zwar am häufigsten unter dem Meeresboden, wo die Erdkruste viel dünner ist.

Wenn es möglich wäre, den Boden des Pazifischen Ozeans freizulegen, könnte man neun riesige Zonen zählen, in denen es ständig zu Störungen oder Schwellungen der Erdkruste kommt. In der Nähe von Japan ist der Meeresboden vielleicht am unruhigsten. Es gibt viele Hunderte von Kilometern lange Verwerfungen. Entlang dieser mal heilenden, mal wieder öffnenden „Wunden“ verschieben sich die Blöcke der Erdkruste ständig oder bewegen sich auseinander. Die meisten Verwerfungen liegen entlang der Küste. Es gibt aber auch Querstörungen. Und dort, wo sich Längs- und Querstörungen der Erdkruste kreuzen, kommt es zu besonders starken Erschütterungen. Von dort aus ist mit den höchsten Tsunamis zu rechnen.

Hier und nach dem Vorbild führten Wissenschaftler hunderte Male Tsunami-Angriffe auf Knetküsten durch. Elektrische Sensoren ermittelten Schwankungen des „Meeresspiegels“. Die Grenze aus nicht vom Ufer abgewaschenem Sägemehl zeigte an, wo die Welle aufsteigen könnte, und durch Filmaufnahmen wurde die Geschwindigkeit der Oberflächenströmungen aufgezeichnet. All dies zusammen trug dazu bei, das von Novograblenov beschriebene Bild der Katastrophe mit Sicherheit wiederherzustellen. Und nicht nur zur Wiederherstellung, sondern auch um wichtige Schlussfolgerungen zu ziehen: Die Industrie- und Wohngebäude einer expandierenden Stadt sollten dort gebaut werden, wo die höchste Welle nicht steigen kann. Den Empfehlungen der Hydrologen wird mittlerweile genau gefolgt.

Aber nicht jedes Erdbeben löst einen Tsunami aus. Erst wenn ein Abschnitt des Meeresbodens – eine Art Riesenkolben – die mehrere Kilometer lange Wassersäule darüber anhebt oder absenkt, entstehen Wellen auf der Meeresoberfläche. Dieses Phänomen kann mit dem Phänomen verglichen werden, das auftritt, wenn ein Stöpsel vom Boden einer mit Wasser gefüllten Badewanne abrupt angehoben oder abgesenkt wird. Für einen Moment scheint der untere Bereich zu verschwinden. Die darauf ruhende Wassersäule „versagt“ und es bildet sich ein Loch auf der Oberfläche. Im Ozean kann die Höhe eines solchen Lochs mehrere hundert Meter erreichen, und die Höhe der Wassersäule kann mehrere Kilometer betragen. Dieser riesige Ausfluss einer Flüssigkeitssäule ist die Zukunft des Tsunamis. Bei einem Erdbeben kann auch ein Block der Erdkruste nach oben schlagen. Dann schwillt der Meeresboden an. Die Wassersäule steigt über die umgebende Oberfläche, was ebenfalls eine hohe Welle erzeugt. Die Höhe solcher Wellen direkt über den Erdbebenquellen erreicht mehrere hundert Meter. Doch bereits wenige hundert Kilometer vom Epizentrum entfernt überschreitet sein sanfter Wellenkamm selten eine Höhe von 2 m. Deshalb sind Schiffe auf hoher See nicht von einer hohen Welle bedroht.

Eine ganz andere Sache ist es, wenn das Schiff in einen Sturm gerät. Zehn Meter hohe Windwellen schleudern es wie einen Splitter. Und hier ist das Bemerkenswerte. Windwellenschwankungen in der Oberflächenschicht des Ozeans. Ab einer Tiefe von 30 m liegt eine Stagnationszone vor. Dort herrscht nach den Worten des berühmten Ozeanologen Zh. I. Cousteau eine wahre Welt der Stille. Aber der Tsunami macht seinem Namen einer hohen Welle alle Ehre. Ein zwei Meter hoher Buckel bildet nur die Spitze, während die Basis der Welle auf dem Meeresboden ruht. Übrigens stellen wir fest: Das Gewicht einer solchen Welle beträgt mehr als hundert Millionen Tonnen. Und wenn man bedenkt, dass es nicht stillsteht, sondern buchstäblich mit der Geschwindigkeit eines Passagierflugzeugs über den Ozean fliegt, dann ist seine Energie enorm. Berechnungen haben gezeigt, dass man, um einen künstlichen Tsunami mittlerer Stärke zu erzeugen, eine dicke Bombe mit einem Gewicht von einer Milliarde Tonnen auf dem Meeresgrund in die Luft jagen muss!

Wenn eine große Welle im offenen Meer absolut harmlos ist, ändert sich ihre Stimmung, wenn sie sich dem Ufer nähert. Durch die Reibung der Wasserpartikel an der Bodenrauheit wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Wellenbodens deutlich reduziert. In Ufernähe wächst er in die Höhe, nimmt eine unregelmäßige Form an und wirft seinen halbmondförmigen Kamm weit nach vorne. P. Novograblenov maß die Höhe des Tsunamis, der Ust-Kamtschatsk zerstörte. Die Wasserwand ragte dann höher aus dem Meer als ein achtstöckiges Gebäude! Die Höhe eines Tsunamis hängt auch maßgeblich von der Beschaffenheit des Ufers ab. Wenn wir uns am Ufer einer Bucht mit einem schmalen Eingang befinden, haben wir nichts zu befürchten. Die Welle wird einen erheblichen Teil ihrer Energie aufwenden, um die enge Passage zu überwinden. Eine ganz andere Sache ist eine offene, keilförmige Bucht. Wenn sich die Welle hier zur Spitze des Keils bewegt, verkürzt sie sich in der Länge, nimmt aber in der Höhe zu. Aus diesem Grund sind Flussmündungen und langgestreckte Meerengen die gefährlichsten Orte.

Der Mensch kann das gewaltige Naturphänomen Natur nicht aktiv bekämpfen. Bisher müssen wir mehr über die Verteidigung als über den Kampf nachdenken. Denn der Stärke eines Tsunamis kann man nicht mit eigener Kraft entgegentreten oder auf die Stärke von Küstenschutzanlagen zählen. Selbst der perfekteste und stärkste Damm wird dem Ansturm von Hunderten Millionen Kubikmetern Wasser wahrscheinlich nicht standhalten. Deshalb wird beim Bau jeglicher Bauwerke am Ufer im Labor eine komplette Großkopie erstellt. Mit einer solchen Modellierung lässt sich eine zerstörerische Welle leicht nachahmen und ihre Landungen untersuchen.

Doch Wissenschaftler interessieren sich nicht nur für das Modell eines separaten, wenn auch ausgedehnten Abschnitts der Küstenzone. Wenn Sie nun ein genaues Modell des Pazifischen Ozeans mit allen Inseln, Küsten Asiens und Amerikas erstellen könnten? Und ein solches Modell ist keine Fantasie. Natürlich kann es nicht aus Beton und Plastilin hergestellt werden. Alle geometrischen Abmessungen der Kontinente, die Front der Welle, ihre Geschwindigkeit und Energie, die Tiefen des Ozeans an verschiedenen Punkten und vieles mehr können in den Speicher eines Hochgeschwindigkeitscomputers eingegeben werden. Und der Computer entscheidet, wo und zu welcher Zeit auf die höchste Welle gewartet wird. Für den Tsunami, der 964 den japanischen Hafen Niigata verwüstete, wurden solche Arbeiten bereits am Leningrader Hydrometeorologischen Institut und an der Stanford University (USA) durchgeführt. Auf dem jüngsten Tsunami-Symposium in Honolulu wurden die Ergebnisse von Berechnungen zu mathematischen Modellen verglichen. Sowjetische und amerikanische mathematische Modelle stimmten nahezu überein.

Dies ist nur ein Sonderfall der aktiven Zusammenarbeit zwischen den beiden Ländern. An den Pazifikküsten der UdSSR, Japans und der USA ist seit mehr als zwanzig Jahren ein umfangreiches Netz miteinander verbundener Küstenstationen in Betrieb. Wissenschaftler tauschen ständig Informationen aus und suchen nach effektiveren Möglichkeiten, eine große Welle zu erkennen, um die Bevölkerung von Küstengebieten so schnell wie möglich über drohende Gefahren zu informieren. Das dritte Jahr in Folge unternimmt das sowjetische Schiff „Valeryan Uryvaev“ Reisen über die fernöstlichen Meere, von denen aus neue sowjetische wissenschaftliche Instrumente im Ozean installiert werden. Die Erforschung des gewaltigen Naturphänomens geht weiter, und wie Sie sehen, in mehrere Richtungen.

Vor Ihnen liegt ein Teil des Ozeans. Empfindliche Geräte sind am Ufer, auf den Inseln sowie an Bojenstationen an der Oberfläche und unter Wasser installiert. Einige führen Beobachtungen der seismischen Aktivität der Erdkruste durch und bestimmen das Epizentrum eines Erdbebens anhand der Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Schwingungen. Sensoren für Schwankungen des Meeresspiegels trennen Tsunamiwellen von Wind- und Flutwellen und stellen das Auftreten der ersten großen Wellen fest. Laser-Entfernungsmesser auf Satelliten bestimmen nicht nur das Epizentrum, den Anstieg oder Abfall des Meeresspiegels zum Zeitpunkt des Erdbebens, sondern bestimmen auch die Richtung und Geschwindigkeit des Tsunamis. Ein derart weites Netz von Aufzeichnungsinstrumenten soll an den tsunamigefährdeten Stellen des Pazifischen Ozeans installiert werden.

Tsunami
In der Abbildung (zum Vergrößern anklicken): 1. Küsten-Tsunamiwellenrekorder. 2. Bodenaufzeichner von Tsunamiwellen. 3. Seismographen. 4. Bojen-Funkstation mit meteorologischen Instrumenten. 5. Satellit mit Laser-Entfernungsmesser. 6. Eine unter Wasser getauchte Bojenstation. 7. Bojen-Funksendestation. 8. Automatischer Tsunamiwellendetektor mit Schnurwandler.

Achtung - Gefahr!

Das Far Eastern Hydrometeorological Institute verfügt über eine Tsunami-Abteilung. Seine Aufgabe besteht darin, einen neuen automatisierten Dienst zur Warnung der Bevölkerung von Küstengebieten vor drohenden Gefahren zu schaffen. Vor der Küste von Kamtschatka, dem Kurilenrücken und Sachalin sowie weit im Ozean, direkt in der Zone möglicher Erdbeben, installieren Wissenschaftler zahlreiche Instrumente und Sensoren.

Zunächst überwachen empfindliche Instrumente – Seismographen – die seismische Aktivität der Erde. Sie fangen elastische Wellen ein, die die Koordinaten des Epizentrums in der Energie eines Unterwasserbebens bestimmen. Wenn die Energie hoch ist und sich das Epizentrum in einem Gebiet befindet, in dem am häufigsten hohe Wellen auftreten, wird ein Warnsignal über Kabel und Funkleitungen an hydrometeorologische Stationen übertragen, die den Meeresspiegel überwachen. Nachdem sie ein Signal empfangen haben, überwachen Beobachter die Messwerte selbstaufzeichnender Füllstandsmesser und versuchen, die ersten, meist kleinen Tsunamiwellen zu registrieren. Aber sie zu finden ist nicht so einfach.

Alle halbe Minute rollen Windwellen ans Ufer. Zweimal täglich steigt der Meeresspiegel bei Flut an. Aber Tsunamiwellen treffen die Küste im Abstand von 10-150 Minuten. Wie kann man dann eine Windwelle, eine Flutwelle von einem Tsunami unterscheiden? Ein Schwimmer schwimmt in einem vertikal verlegten Rohr, das mit dem Meer kommuniziert. Es hebt oder senkt sich und setzt den Stift in Bewegung, wodurch Pegelschwankungen auf dem Band aufgezeichnet werden.

Eine Flüssigkeitssäule in einer Tiefe von beispielsweise 10 m erzeugt einen Druck von einer Atmosphäre. Aber das Meer ist selten ruhig. Wenn also in einer bestimmten Tiefe ein Manometer installiert ist, kann man anhand seiner Messwerte die Höhe der Welle beurteilen. Wind und Flutwellen, die sich überlagern, scheinen die ersten, noch niedrigen Tsunamiwellen zu verdecken. Es ist sehr schwierig, sie mit Hilfe von Schwimmer- und hydrostatischen Instrumenten zu unterscheiden. Zusätzlich wurde ein weiteres Gerät installiert. Es wurde Tsunamiwellendetektor genannt.

Tsunami
 (zum Vergrößern klicken)

Machen wir uns mit seinem Gerät vertraut (siehe Abb.). Der Metallwellbecher 1 wird unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks zusammengedrückt. Zwei Kapillaren unterschiedlichen Durchmessers 2 verbinden den Hohlraum des Bechers mit zwei identischen Kammern 3, in denen ebenfalls Wellbecher, jedoch kleinerer Größe, eingebaut sind. Ihre inneren Hohlräume kommunizieren mit der Messkammer 4, die durch eine Membran in zwei Teile geteilt ist. Die inneren Hohlräume der drei Becher sind mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt. Der Sensor ist auf der Membran montiert. Wie reagiert der Detektor auf Schwankungen des Meeresspiegels? Flutwellen kommen nur zweimal am Tag an Land. Der Meeresspiegel ändert sich langsam, daher steigt der hydrostatische Druck an der Stelle, an der das Gerät installiert ist, allmählich an. Der Metallbecher wird nach und nach zusammengedrückt, wodurch ein Teil der Flüssigkeit nahezu widerstandslos durch die Kapillaren in den Innenhohlraum der Messkammer verdrängt wird. Der Druck auf beiden Seiten der Membran ist gleich, das Gerät ist geräuschlos. Das Gerät ist selbst bei normalen Windwellen auf dem Meer geräuschlos. Da die Flüssigkeit in den Kapillaren auf erheblichen Widerstand stößt, hat sie keine Zeit, mit ausreichender Geschwindigkeit zu fließen. In diesem Fall wirkt ein konstanter Druck auf die Membran.

Erst wenn sich die Tsunamiwellen nähern, zeigt sich die Wirkung unterschiedlicher Kapillarwiderstände. Eine Kapillare mit einem größeren Durchmesser erzeugt einen geringeren Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss und der Druck auf einer Seite der Membran wird größer als auf der anderen. Die Membran biegt sich, der Sensor schaltet automatisch die Licht- und Tonalarme an der Station ein.

So funktioniert der Küstenwarndienst.

Die Wissenschaftler des Instituts sind jedoch bestrebt, die Effizienz des Warnsystems zu verbessern und dem Tsunami etwas Zeit zu entziehen. Empfindliche Geräte werden möglichst weit von der Küste entfernt und per Kabel oder Funk mit Küstenstationen verbunden. Auf den Inseln ist bereits ein ganzes Netz von Stationen auf festgemachten Schwimmern – Bojen – ausgestattet.

In seismisch aktiven Zonen in einer Tiefe von 5–6 km sind automatische Seismographen und empfindliche Tsunamiwellendetektoren mit Schnurwandlern installiert. Die Detektoren wirken wie Stimmgabeln, wie Klaviersaiten, die auf einem starren Rahmen gespannt sind. Man muss lediglich den Wirbel mit dem Schlüssel in eine beliebige Richtung drehen, da sich die Tonhöhe der Saite ändert. Der Konverter basiert auf dem gleichen Prinzip. Zwischen der Mitte der Membran, auf die der gemessene hydrostatische Druck einwirkt, und dem Gerätekörper ist ein dünner Stahldraht gespannt – eine Schnur. Wenn das Meer ruhig ist, erklingt die Saite mit der gleichen Frequenz. Doch sobald die Wellen auftreten, sackt die Membran ab, die Spannung der Saite lässt nach. Das elektronische Gerät erfasst die Tonhöhenänderung und sendet ein Signal über das Kabel bis zur Boje.

Küsten-, Insel- und Bojenstationen sind nicht alles, was der automatisierte Dienst bieten wird. Zur Erkennung von Tsunamiwellen werden derzeit Experimente mit einem Laser durchgeführt. Es ist bekannt, dass es dank des Lasers möglich war, die Entfernung von der Erde zum Mond mit einer Genauigkeit von mehreren zehn Zentimetern zu messen. Und warum nicht einen Laser-Entfernungsmesser auf dem Satelliten installieren, um Schwankungen des Meeresspiegels zu messen? Vielleicht wird es bald Satelliten geben, die Tsunamiwellen überwachen.

Neben dem Ozean selbst kann auch die Ionosphäre Aufschluss über das Auftreten hoher Wellen geben. Wenn ein Abschnitt der Erdkruste unter Wasser stark absinkt oder ansteigt, steigt oder fällt eine Säule atmosphärischer Luft zusammen mit der Wassersäule. In den oberen Schichten entstehen akustische Wellen, die die von der Ionosphäre reflektierten Radiowellen verzerren. Da akustische Wellen den Tsunami um mehrere Stunden übertreffen, gehen Wissenschaftler davon aus, dass die ionosphärische Methode auch im Warndienst zum Einsatz kommen wird.

Informationen von allen am Meeresboden, an Bojenstationen und an der Küste installierten Instrumenten und Sensoren werden an ein einziges Zentrum des Instituts gesendet und an einen Computer gesendet. Die Maschine berechnet und gibt eine Empfehlung ab: In welchem ​​Gebiet ist mit der höchsten Welle zu rechnen und wie bald. In diesem Bereich wird ein Alarm ausgelöst – die Menschen haben Zeit, sich an einen sicheren Ort zu begeben.

Weißt du das ...

... Tsunamis können nicht nur durch die Verschiebung riesiger Erdblöcke des Meeresbodens verursacht werden. Beim Ausbruch des Krakatau im Sommer 1883 erschütterte eine Explosion beispielloser Wucht die Erde. Der Inselvulkan (seine Abmessungen betrugen etwa 5 x 10) explodierte in die Luft und Gesteinsfragmente mit einem Volumen von 20 km3 fielen in die Gewässer der Sundastraße. Sie verursachten eine riesige Welle, die, obwohl bereits abgeschwächt, an den Küsten Frankreichs und Englands registriert wurde, das heißt, sie passierte den Indischen Ozean, umkreiste Afrika und gelangte in den Atlantik.

... Auch die Atmosphäre kann Tsunamis erzeugen. Sobald der Luftdruck irgendwo über dem Ozean nur um 1 mm sinkt, steigt der Wasserspiegel in diesem Bereich um 13 mm. Und der Luftdruck sinkt manchmal um viele zehn Millimeter, wie es bei Taifunen der Fall ist. Auf der Wasseroberfläche entsteht etwas, das einem Hügel ähnelt, der sich bei einer starken Verschiebung des Zyklons sofort absetzt und Wellen erzeugt.

... Im Juli 1958 stürzte an der Küste Alaskas eine große Lawine von den Hängen des Mount Fairweather herab, die eine Masse aus Eis, Schnee und Erde enthielt. Die Welle stieg an, nachdem sie eine Höhe von mehr als 500 m erreicht hatte. Es ist nicht verwunderlich, dass sie die nahegelegene Insel „mit ihrem Kopf“ bedeckte.

...Kürzlich wurden Tsunamiwellen entdeckt... auf dem Mond. Astronomen zufolge könnten die zahlreichen ringförmigen Bergstrukturen, die die meisten Mondkrater mit einem Durchmesser von 200 km umgeben, von Tsunami-Wölfen erhalten geblieben sein. Meteoriten, die auf die noch nicht abgekühlte Oberfläche des Mondes einschlugen, durchschlugen dessen dünne, gehärtete Hülle. Geschmolzenes Gestein stieg aus den Eingeweiden in das entstandene Loch. Wie eine gewöhnliche Flüssigkeit bildete es Wellen, die für immer gefror.

...Vor dreizehn Jahren lebte auf der Insel Urup, die zur Kurilenkette gehört, eine große Herde Seeotter. Nach zwei verheerenden Tsunami-Angriffen waren die flachen Küstengewässer mit Steinen bedeckt. Das Nahrungsgleichgewicht der Tiere war gestört und ihre Zahl ging stark zurück. Aber hier ist ein interessantes Muster. Kurz nach dem Tsunami kam es auf derselben Insel zu einer Umweltexplosion. Die Urupsia-Herde erholte sich nicht nur schnell, sondern vergrößerte sich auch. Laut dem Sachalin-Zoologen Viktor Woronow zerstören Tsunamis und erschaffen zugleich. Ein riesiger Pflug fördert eine riesige Menge an Nährstoffen aus der Tiefe. Wellen pflügen und düngen den Küstenschelf. In solch einer nahrhaften „Brühe“ entwickeln sich schnell Phyto- und Zooplankton, Fischschwärme wachsen. Daher wählte der Seeotter die Insel als Wohnort, die jährlich Tsunami-Angriffen ausgesetzt ist.

... Berechnet und experimentell kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Tsunamiwellen mit der Entfernung vom Epizentrum proportional zur Entfernung, etwa hoch 5/6, abklingen. Schwankungen in der Erdkruste unter dem Meeresboden können nicht nur eine, sondern mehrere Wellen verursachen. Welcher von ihnen ist der gefährlichste – der erste, der zweite, der dritte? Es stellt sich heraus, dass der Tsunami in seinem relativen Wachstum wechselt, je weiter er sich von seinem Entstehungsort entfernt. In der Nähe des Epizentrums ist die zweite Welle beispielsweise höher als die erste. Aber je weiter von der Quelle entfernt, desto größer ist die Seriennummer der maximalen Welle.

...Die Energiecharakteristik eines Erdbebens ist die von einem Seismographen gemessene Stärke. Die Magnitudenskala wurde von Charles Richter vorgeschlagen. Das stärkste Erdbeben hat eine Stärke von etwas weniger als 9. Seismologen glauben, dass das Auftreten eines Tsunamis fast völlig unvermeidlich ist, wenn die Stärke auf der Richterskala 7 oder mehr beträgt. Wenn weniger, dann liegt die Wahrscheinlichkeit eines Tsunamis nahe bei Null.

Autor: V. Rotov

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