真正可怕的海洋怪物—海啸

作者介绍

陈运泰，中科院院士、地球物理学家。1962年毕业于北京大学。1966年中国科学院地球物理研究所研究生毕业。中国地震局地球物理研究所研究员、名誉所长。2015年1月，当选国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG)首批会士。

海啸 Tsunami

提起海啸，除了害怕还是害怕，它的出现总是和灾难、绝望、人员伤亡联系在一起。那么这个可怕的海洋怪物是怎么冒出来的呢?

海啸的成因

海啸(tsunami)是一种巨大的海浪。海底大规模的、突然的上下变动，包括海底火山喷发、海底或海岸滑坡、崩塌、滑塌、陨星或彗星的撞击以及海底地震都会激发海啸。但是在上述激发海啸的诸多原因中，最主要的原因还是海底的地震，特别是以沿着断层面上下错动为其特征的“倾滑型”地震。

海啸的产生

海底大规模的、突然的上下变动会使大范围的海水从海面直至海底受到扰动，扰动以波动的形式向四面八方传播，这就是海啸。海啸在大洋中传播时速度非常快，达200~250m/s，也就是720~900km/h，相当于喷气式飞机的速度。

海啸的浪高通常是几十厘米至一米，比风暴潮(浪高通常是7~8m)小得多。海啸在大海中传播时有如千军万马在夜间衔枚疾走。远洋航行的船只，时有与海啸相遇的经历。当船只在大海中与海啸相遇时，但见船只悠然穿过海啸，绝无安全之虞。

海啸与风暴潮

但是，当海啸靠近海岸、特别是进入海港时(因此海啸在日语中借用汉字写作“津浪”、“津波”，读作tsunami；在英语中按“津浪”的读法写作tsunami，亦称作harbor wave，均为“海港中的波”之意)，速度减慢，波浪迅疾攀升，浪高可达数十米，有如大海顿时竖立(因此海啸亦称作“海立”)，像一堵高大的水墙一样冲向岸上，所向披靡，将海岸扫荡一空，造成巨大的伤亡和损失。

海浪近岸

海啸的特点

海啸与风暴潮和在海边每天都可以观看到的海浪一样，都是所谓的“重力波”，也就是以重力为恢复力所产生的波。重力有使海洋从受到扰动的状态恢复到未受扰动的状态的倾向。在重力波传播过程中，重力起着使能量以波动的形式从其相对过剩的区域传递到相对不足区域的作用。更具体地说，海啸与平常的海浪和风暴潮一样，同属“重力(表)面波”，即海水质点运动的振幅随深度衰减的重力波。

虽然海啸与平常的海浪和风暴潮一样都是重力表面波，但是它与海浪和风暴潮有着明显的不同：

（1）成因不同。平常的海浪或风暴潮是由海面上刮风或风暴引起的，而海啸大多数是由海底的突然上下变动引起的，两者的成因不同。

(2) 周期与波长不同。海啸的周期长达200~2000s，波长长达10~100km；而风暴潮的周期只有6~10s，波长数量级约100m。虽然两者同属重力表面波，平常的海浪或风暴潮由于波长(数量级约100m)比海水的深度(数量级约1km)小得多，所以是一种“深水波”，海水质点的运动只限于在距深海大洋的表面数量级约100m 的深度范围内传播。海水质点在垂直于海面的平面上运动，呈前进的圆形；振幅随深度很快地衰减，到了大约半波长（即数量级约100m 的深度）即衰减殆尽。

重力波在海洋中传播示意图及深水传播

尽管海面上波涛汹涌，潜没在水下的潜艇却安然不为之所动就是这个道理。同样道理，安置在海面的压强计可以记录下几乎无时不在的高达数米的海浪，但不易检测出振幅比一般的海浪小而被淹没在一般的海浪信号中的海啸(甚而是大海啸)信号(参见图1b)；因此，不但在海面上，而且在深海海底都应安置压强计才有可能有效地监测海啸的发生与传播。

与平常的海浪和风暴潮不同，海啸的波长(10~100km) 比海水的深度(约数千米)大得多，水深达数千米的海洋对于波长10~100km 的海啸，犹如一池浅水，所以海啸作为一种重力表面波是一种“浅水波”。当它在海洋中传播时，振幅随深度衰减很慢，慢到了几乎没有什么衰减的程度；并且，海水质点在垂直方向的运动幅度比在水平方向的运动幅度小得多，呈极扁的前进的椭圆形，扁到几乎退化为一条直线，以至整个海洋，从海面直至海底的海水质点，同步地沿水平方向往复地运动，携带着大量的能量袭向海岸。

重力波在海洋中传播示意图及浅水传播

(3)传播速度不同。海啸是一种长周期的重力波，它的高频截止频率是0.01~0.02Hz，也就是周期50~100s。它的传播速度很大，如前所述，达200~250m/s，大约是平常海浪波速的15 倍。海啸高达200~250m/s的传播速度以及海啸波的振幅随深度几乎没有什么衰减，说明了为什么海啸具有异乎寻常的破坏力。在水深为H的海洋中，重力波传播的相速度c为：

式中，k = 2π /λ为波数;λ为波长；g 为重力加速度；tanh 为双曲正切函数。“频散”在物理学中称作“色散”，指的是波的传播速度(相速度或群速度)随周期(或频率)变化。海啸即长周期的重力波。当海啸波的周期数量级为100~1000s 时、也就是波长λ比海水的深度H 大得多时(λ >>H)，作为一种长周期重力波(“浅水波”)的海啸波是没有频散的。此时，式(1)简化为

式中，u 为群速度。普通的海浪是一种短周期的重力波。当周期数量级为10s、也就是周期很短时，式(2)简化为

式(3)表示，作为一种短周期的重力波(“深水波”)，普通的海浪是频散的面波，其相速度c是群速度u的两倍，它们都与波长λ的平方根成正比。

(4)激发的难易程度不同。

普通的海浪或风暴潮是由海面上刮风或风暴引起的，容易被风或风暴所激发。而大多数海啸是由海底地震产生的，海底地震激发海啸的能力随震源深度和频率的增加而急剧衰减。所以在震源深度相同的情况下，频率是一个最重要的特征量，它决定了地震激发海啸的效能。在固态的地球内部，决定地震激发海啸效能的“本征函数”的振幅很小，对于震源深度大于60km 的地震，本征函数的振幅分别仅仅是表面位移的

(当周期约

s 时)、

(当周期约为

s 时)和

(当周期约为50s 时)。这就是说，震源深度大于60km的地震，只能激发长周期的海啸。

只有周期特别长的、极其大的地震、在极其有利的条件下才能激发起灾害性的大海啸。

这点已为大量的历史上的海啸以及近代的观测资料所证实。

海啸灾害

大海啸是一种频度极低、在原地重复发生的时间远大于人的寿命的自然灾害。根据1980年以来的统计，地球上平均每年发生1次8级或8级以上的特大地震，而在10次8级或8级以上的特大地震中，大约只有一次是发生在海底同时又激发起海啸的。中等大小的地震即震级6.5左右的地震有可能激发出波浪振幅只有几厘米、在深海海面上可以用现代的压强计记录下来的小规模的海啸。小规模海啸的年发生率是每年若干次，较大规模海啸的年发生率则是大约一年一次。对于诸如特大地震、特大海啸这些频度极低、在原地重复发生的时间远大于人的寿命的自然灾害来说，人们很容易掉以轻心。

例如，就印度洋北部来说，历史上只有过6次有关海啸的记载：

1、包括公元前326年由亚历山大大帝统率的军队遭遇到该地区迄今最早有记载的海啸；

2、公元1008年4月1日至5月9日由当地地震激发的伊朗海岸的海啸。

3、1883年8月27日由印尼克拉喀托亚(Krakatoa)火山喷发激发的海啸；

4、1884年由孟加拉湾西部地震激发的海啸；

5、1941年6月26日由安达曼海8.1级地震激发的海啸；

6、1945 年11月27日卡拉奇以南70km 的

级地震激发的海啸。

中国、印度、印尼、日本、菲律宾、美国东海岸、非洲科特迪瓦(旧称“象牙海岸”) 乃至欧洲，自古以来都是遭受过多次海啸袭击的地区。实际上，在众多的自然灾害中，海啸作为一种发生频度极低的、发生概率极小的事件，它的危险性显然是被大大低估了。

海啸分布图

历史上海啸死亡人数最多的五次地震

第五名：印尼火山爆发引起的海啸

死亡人数：36000

原因：火山爆发

1883年8月，印尼火山岛喀拉喀托的火山爆发是人类史上最厉害的一次。此次火山爆发，远在澳大利亚都能听见。火山爆发引发的海啸巨浪高达130英尺（合40米）。根据美国地质勘探局（USGS）的报告，仅爪哇和苏门答腊岛，海浪就冲走165个村庄。海啸掀起的海浪直到远在4350英里（合7000千米）的阿拉伯半岛才停息下来。

第四名：1782年，华南海啸

死亡人数：超过4万

原因：地震

此次灾难的历史记录不是很完全，但一本出版于1964年的俄语海啸目录认为1782年（即乾隆四十七年）（译者按：《清史稿·志十五·灾异》中没有记载）的台湾海啸死亡人数在4万以上，淹没岛上土地超过75英里（合120千米）。

第三名：葡萄牙里斯本大地震引发的海啸

死亡人数：60000

原因：海底地震

1755年11月，大西洋的大地震震动了葡萄牙的西南部。里斯本市因为此次地震以及并发的火灾而破产。与此同时，地震引发的海啸席卷了葡萄牙、西班牙、摩洛哥的沿海城镇。据估计，袭击里斯本的海浪高达18英尺（合6米）。

第二名：古希腊克里特火山爆发引发的海啸

死亡人数：10万或更多

原因：火山爆发

大约在公元前1500年，地中海的锡拉岛（也称为圣托里尼岛）海底火山爆发产生极大破坏力。根据美国国家海洋和大气局（NOAA）海啸研究中心的研究，此次火山爆发创造了历史记录中的第一个海啸。确切的死亡人数估计永远也不会知道，但地理证据表明，此次海啸淹没了克里特岛沿海地带50英尺（合15米）。

第一名，2004年印度洋海啸

死亡人数：约22.6万

原因：海地地震

2004年12月26日，强达里氏9.1—9.3级大地震袭击了印尼苏门答腊岛海岸，持续时间长达10分钟。此次地震引发的海啸甚至危及到远在索马里的海岸居民。仅印尼就死了16.6万人，斯里兰卡死了3.5万人。印度、印尼、斯里兰卡、缅甸、泰国、马尔代夫和东非有200多万人无家可归。

死亡22.6万人，在地震死亡人数中只排名第四，但在海啸死亡人数中却排名第一。

2004年印度洋海啸受灾前后

欢迎入坑：在大地震之后如何迅速地、正确地判断该地震是否会激发海啸，仍然是个悬而未决的科学问题。这种情况反映了迄今为止人类对于能激发海啸的地震(海啸地震)的特征及其激发海啸的机制仍缺乏深刻的认识，亟需进一步深入地加以研究。这需要一代又一代的地学人不懈地奋斗，欢迎您的加入！！！

本文文章内容引自科学出版社

《10000个科学难题-地球科学篇》

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