В августе 1883 года гористый остров в Индонезии под названием Кракатау самоуничтожился. Эпизодические извержения вулканов увенчались взрывом, выбросившим обломки на высоту 80 километров и засыпавшим коррозионным пеплом 800 000 квадратных километров поверхности Земли. Когда большая часть острова разлетелась на части и выплеснулась в море, поднялось цунами и обрушилось на близлежащие острова Ява и Суматра, в результате чего в результате извержения погибло 36 000 человек.
В то время как Индонезия приняла на себя основной ущерб, извержение Кракатау вызвало недоумение во всём мире.
Каким-то образом небольшие цунами обрушились на береговые линии стран как в Тихом, так и в Атлантическом океанах, хотя казалось, что цунами Кракатау никак не могло перепрыгнуть из Индийского океана через континенты в другие океанские бассейны.
Не имея никакого другого объяснения, учёные в то время обвинили в этих обширных цунами случайно совпадающие по времени землетрясения. Но геофизики в последующие десятилетия продолжали ломать голову над этими данными.
Например, исследование 1955 года показало, что отдалённые цунами коррелируют с приходом волны давления, которая распространялась наружу по воздуху от извержения. Авторы исследования предположили, что между этим атмосферным возмущением и водой произошла какая-то связь. Компьютерное моделирование в 2003 году также подтвердило это, показав, что главное цунами Кракатау, даже там, где оно пробивалось через проломы в континентах и достигало Тихого и Атлантического океанов, отставало от крошечных цунами, которые вместо этого синхронизировались с более быстрой волной давления от взрыва, в таких местах, как Гавайи, Калифорния и Аляска.. (Волна давления, частота которой находится в пределах слышимости, называется звуком.)
Чтобы подтвердить спекулятивную идею о том, что звук вулканов или волны давления могут вызывать цунами, учёным нужно было увидеть, как другая версия Кракатау разыгрывается в реальном времени в современную эпоху.
15 января 2022 года, почти полностью затопленный вулканический котёл в южной части Тихого океана под названием Хунга Тонга-Хунга Хаапай издал кошмарный рёв. Грибовидное облако пепла и локальное цунами опустошили архипелажное Королевство Тонга. Хотя он, к счастью, привёл к небольшому числу жертв, этот вулкан побил все рекорды: он выбросил обломки на две трети пути в космос; его облако пепла производило до 200 000 разрядов молнии в час; а сам взрыв был одним из самых мощных из когда-либо зарегистрированных. С точки зрения масштаба и энергии взрыва, событие в Тонге было «в основном похоже на Кракатау», — сказал Мэтью Хейни, геофизик из Геологической службы США по вулканической обсерватории на Аляске.
Фото: meta.ua
Не только звук Hunga Tonga-Hunga Ha‘apai распространился по всему миру. Волна цунами высотой в десятки сантиметров обрушилась на далёкие берега в разрозненных океанских бассейнах. «Мы не ожидали такого сигнала о цунами в Карибском море», — сказал Пол Фанелли, океанограф из Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA).
На этот раз учёные думали, что нашли решение. Когда измерители высоты волны по всей планете были сопоставлены с соответствующими датчиками давления воздуха, стало ясно, что волна давления от взрыва должна была соединиться с поверхностями нескольких океанов и морей, передать энергию воде и создать бесчисленное множество цунами. Это объяснение одновременно разрешило 139-летнюю тайну Кракатау. «Учитывая то, что наблюдалось в 1883 году… логично, что это могло произойти и тогда», — сказал Грег Дусек, физический океанограф из NOAA. «Кажется, оба набора наблюдений хорошо согласуются».
Но, как и со всеми радикальными научными открытиями, возникли новые вопросы. Когда и почему волны давления вулканов сливаются с океанскими волнами? Почему обширные цунами Тонги появились только вдоль определённых береговых линий? И насколько мощными и потенциально разрушительными могут быть эти цунами?
Школа цунами
Обычно, чтобы вызвать цунами, нужно столкнуть много массы в водоём, чтобы вытеснить его содержимое. Землетрясения делают это простым способом. «Землетрясения-цунами очень, очень просты», — говорит Эмили Лейн, специалист по гидродинамике из Национального института водных и атмосферных исследований Новой Зеландии. «Под водой происходит землетрясение, которое фактически вызывает деформацию морского дна, и эта деформация распространяется на поверхность воды, а затем излучается в виде цунами».
Вулканические цунами более сложны. Обломки, выброшенные в воду или разбрызгивающиеся в воду, частичное или полное обрушение самого вулкана и подводные взрывы — всё это может вытеснить воду.
Исследовательская работа на морском дне вокруг Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай позволит выяснить в ближайшие месяцы, какой процесс или комбинация процессов вызвали региональное цунами в классическом стиле.
Но почти за три часа до того, как сильное цунами пересекло Тихий океан и достигло Японии, небольшие пики волн достигли островов Огасавара, примерно в 1000 км к югу от Токио. В тот же день подобные пики появились в Карибском море от Пуэрто-Рико до Мексики и даже в Средиземном море, на расстоянии 18 000 километров от места извержения.
Эти небольшие быстрые волны напомнили некоторым учёным менее традиционный способ, которым Земля может создавать цунами: используя атмосферу. Штормы иногда могут вызывать устойчивые и значительные атмосферные возмущения. В 1929 году британский математик и океанограф Джозеф Праудман выдвинул гипотезу, что если возмущение движется с определённой скоростью над водоёмом, оно может инициировать то, что сейчас называется резонансом Праудмана. Его уравнения показали, что волна атмосферного давления может передавать энергию волнам в воде, делая их больше. И когда эти усиленные волны ударяются о берег, они становятся известны как метеоцунами.
Фото: sakhalin.info
Математика Праудмена в конечном итоге показала, что передача энергии от неба к морю наиболее эффективна, когда атмосферное возмущение распространяется с той же скоростью, что и волны на воде. А скорость водных волн зависит от глубины воды. По словам Александра Рабиновича, эксперта по метеоцунами из Института наук об океане в Сиднее, Британская Колумбия, штормы обычно вызывают волны атмосферного давления, которые распространяются со скоростью несколько десятков сантиметров в секунду. На такой медленной скорости волны давления резонируют с такими же медленными волнами воды, встречающимися на мелководье, и вызывают крупные метеоцунами. Вот почему они появляются десятки раз в год на относительно мелководье восточного побережья США, в Мексиканском заливе и Великих озерах, иногда со смертельным исходом: метеоцунами высотой 3 метра на озере Мичиган в 1954 году унесло жизни семи человек. В редких случаях эти метеоцунами могут конкурировать с угрозой цунами, вызванных землетрясением: в 1978 году волны метеоцунами высотой 6 метров терроризировали портовый город Хорватии Вела-Лука, неоднократно врезаясь в него в течение нескольких часов.
Цунами, вызванные январским извержением на Тонге, были очень похожи на метеоцунами — как почти одновременно поняли многочисленные океанографы, физики и вулканологи всего через несколько часов после взрыва вулкана в зените. «Вся механика и физика очень похожи», — сказал Эрик Андерсон, исследователь Горной школы Колорадо, изучающий взаимодействие между гидросферой, криосферой и атмосферой. Но здесь есть одно ключевое отличие. «Пострадал весь земной шар», — сказал Рабинович.
Рёв слышен по всему миру
Исследователи ещё не пришли к единому мнению о конкретном типе волны давления или комбинации типов, ответственных за этот случай. Извержение на Тонге вызвало многочисленные атмосферные возмущения, в том числе кратковременную ударную волну и распространяющиеся по всему миру акустические волны. Вытолкнув большое количество воздуха вверх, взрыв также создал так называемые атмосферные гравитационные волны. Они образуются, когда холодная воздушная масса быстро поднимается, затем подчиняется гравитации и опускается обратно на уровень моря, ударяя по стратосфере подобно гонгу и вызывая колебания давления, которые распространяются горизонтально во всех направлениях.
Многие исследователи считают атмосферные гравитационные волны Тонги наиболее вероятным источником далеко простирающихся цунами, учитывая конкретные места, где возникали цунами. Гравитационные волны проносились по планете со скоростью, достигающей или превышающей 300 метров в секунду.
Чтобы получить резонанс Праудмена, волны на воде должны двигаться сравнительно быстро, а для этого требуется необычно глубокая вода. «Чтобы океанская волна двигалась так быстро, вам понадобится около 9000 метров воды, — сказал Дусек, — и не так много мест, где вы можете опуститься на такую глубину».
Показательно, что сильные цунами возникли в Карибском море и на юге Японии, где глубина океанских желобов превышает 8000 метров. В этих местах морские волны действительно движутся со скоростью, близкой к скорости звука. Это может быть трудно представить, но ведь в открытом океане волны в основном невидимы. «Пока вы не достигнете мелководья, волна не так заметна на поверхности моря», — сказал Дусек.
По словам Эрика Гейста, геофизика из Тихоокеанского прибрежного и морского научного центра Геологической службы США, хотя резонанс Праудмана мог быть наиболее эффективным на этих двух случаях, даже в других местах, когда атмосферные гравитационные волны перемещались по открытому океану, и произошло бы усиление морской волны.
Подводная топография морского дна вблизи пострадавших береговых линий также могла усилить приходящие волны цунами. Наряду с теорией глубоких канав эти идеи требуют дальнейшего изучения, прежде чем можно будет сделать твёрдые выводы. А другие типы волн давления могут иметь ещё более высокие высоты волн. Но даже на этом раннем этапе никто не сомневается в том, что драматическое извержение вулкана Тонга заставило моря и океаны на другом конце света сжаться, подняться и содрогаться — откровение в настоящем, которое почти подтверждает замечательное представление из прошлого.
Фото: sakhalin.info
Причуды физики
Учитывая «большое сходство», по словам Рабиновича, между событиями в Тонге и Кракатау, дело о всемирных цунами Кракатау можно закрыть. Но, как и в Кракатау, пандемониум в Тонге вызвал новые вопросы.
Далёкие цунами, возможно, не были опасны, но локальное цунами, вызванное самим вулканом Тонга, определённо было опасным. В Тонге есть собственная глубокая впадина, поэтому кажется вероятным, что резонанс Праудмана также возник недалеко от извержения. То, что высота волн никогда не приближалась к высоте некоторых вызванных штормом метеоцунами, стало облегчением. Но всегда ли так будет?
Исследователи задаются вопросом, насколько мощным должен быть взрыв, чтобы создать гораздо более масштабное метеоцунами. Вулканы на суше также могут создавать большие удары, так могут ли они также вызывать отдалённые цунами? Вулканические взрывы, такие же страшные, как Кракатау и Хунга Тонга-Хунга Хаапай, необычайно редки по человеческим меркам. И пока кажется, что такое чудовищное «рычание» не способно вызвать сильные волновые пики по всему миру. Когда дело доходит до цунами, вызванных атмосферой, «метеоцунами, вызванные погодными условиями, по-прежнему являются тем, что нас беспокоит с точки зрения общественной безопасности», — сказал Дусек.
Морское проявление Тонги не было шоу ужасов. Но это напомнило учёным, что использование природой даже мельчайших особенностей физики может привести к глобальным последствиям.