海啸的物理

陈 颙

摘要地震海啸的产生是地球表面固体层和流体层相互作用的结果。本文介绍了这种相互作用的物理过程，讨论了海啸的大小、能量、传播速度。指出：建立早期预警系统是减少海啸灾害的重要措施，目前的预警系统虚报率很高的问题，仍需要通过加强地球表层系统相互作用的研究来解决。

　　关键词地震，海啸，灾害

　　什么是海啸？

　　海底的地震和火山喷发，可能引起海水中形成巨大的海浪，并向外传播，这就是海啸。海啸的英文词“Tsunami”来自日文，是港湾中的波的意思。

图1海啸的产生过程：

　　A，海洋、海水、大陆相对位置

　　B，深海发生地震时，海底发生激烈的上下方向的位移，某些部位出现猛然的上升或者下沉，产生了其上方的海水巨大的波动，原生的海啸于是就产生了。海啸与一般的海浪不一样，海浪一般在海面附近起伏，涉及的深度不大，而深海地震引起的海啸则是从深海海底到海面的整个水体的波动，其中包含的能量惊人；

　　C，地震后几分钟后，原生的海啸分裂成为两个波，一个向深海传播，一个向附近的海岸传播。向海岸传播的海啸，受到岸边的海底地形等影响，在岸边与海底发生相互作用，速度减慢，波长变小，振幅变的很大（可达几十米），在岸边造成很大的破坏。

海啸的产生需要满足三个条件，缺一不可：深海、大地震和开阔逐渐变浅的海岸条件，下面分别加以说明。

深海：地震释放的能量要变为巨大水体的波动能量，地震必须发生在深海，只有在深海海底上面才有巨大的水体。浅海地震产生不了海啸。

大地震：海啸的浪高是海啸的最重要的特征。我们经常用在海岸上观测到的海啸浪高的对数作为海啸大小的度量，叫做海啸的等级（magnitude）。如果用H（单位为米）代表海啸的浪高，则海啸的等级m为

m= log₂H

　　各种不同震级的地震产生的海啸高度见下表：

　　这是从全球近百年资料得到的经验关系。从上表可以看出，只有7级以上的大地震才能产生海啸灾害，小地震产生的海啸形不成灾害。值得指出的是：海洋中经常发生大地震，但并不是所有的深海大地震都产生海啸，只有那些海底发生激烈的上下方向的位移的地震才产生海啸；

开阔逐渐变浅的海岸条件：尽管海啸是由海底的地震和火山喷发引起的。但海啸的大小并不完全由地震和火山的大小决定。海啸的大小是由多个因素决定的，例如：产生海啸的地震和火山的大小、传播的距离、海岸线的形状和岸边的海底地形等等。海啸要在陆地海岸带造成灾害，该海岸必须开阔，具备逐渐变浅的条件。

　　海啸的能量

　　地震使海底发生激烈的上下方向的位移，某些部位出现猛然的上升或者下沉，使其上方的巨大海水水体产生波动，原生的海啸于是就产生了。我们可以用该水体势能的变化来估计海啸的能量。作为对印尼苏门答腊近海地震海啸能量的保守估计，假定该次地震使震中区100km长，10km宽，2km厚的水体^[1]，抬高了5m，其势能的变化为

　　E= mgh =10²⁴尔格

　　我们知道，地震释放的地震波的能量E与地震的震级M之间有关系式：

　　 lgE= 11.8+1.5M（E，尔格）

　　印尼苏门答腊近海地震的震级M=8.7，所以这次地震释放的地震波能量为：

　　E= 10²⁵尔格

　　对比地震波的能量，海啸的能量相当地震波的能量的十分之一左右。海啸的能量是巨大的，为了说明这一点，我们可以举一个例子。一座100万千瓦的发电厂，一年发出的电能为

　　E= 3.15*10²³尔格

　　所以，印尼苏门答腊近海地震产生的海啸能量大约相当于3座100万千瓦的发电厂一年发电的能量。

　　海啸的速度

　　当风吹过地上薄薄的一层水时，水面会起波浪。海啸与此有些相同，它与水面波一样，有自己的波长、周期，只不过海啸的激励来自海底地震和火山造成的激烈运动。但是水面波和海啸波两者又很不相同。薄薄的一层水的水的厚度与水波的波长相比^[2,3]，是很小的，它的传播速度与水厚度的平方根有关。风造成的水面波的周期很短，波长也很小，传播速度慢。但海啸的周期可达一小时，波长可达700km，这样就决定了海啸有一些非常独特的特点。

　　图2 A：风吹水面造成的水面波：波长30m，传播速度15-30km/h

B：深海中的海啸波：波长几百km，传播速度700-900km/h

风暴潮也是一种严重的自然灾害。产生于赤道附近热带风暴潮具有极大的能量。在北美、加勒比地区和东太平洋地区它们被叫做飓风，在西太平洋地区叫做台风，在印度叫旋风。风暴潮经过海洋时，会造成狂风暴雨。尽管风暴潮和海啸都会造成海水的剧烈运动，但两者很不相同。风暴潮是由海面大气运动引起的，而海啸是由海底升降运动造成的，前者主要是海水表面的运动，而后者是海水整体的运动。

　　对比风暴潮（水面波）等与海啸，就会发现海啸有三个特点：

　　第一，海啸传播速度快，每小时可达700-900km，这正是越洋波音747飞机的速度，而水面波传播速度较慢，台风的最快速度也只有350km/h左右。一般的风暴潮速度还要慢许多。

　　第二，海啸的周期可达1小时，其波长极长，可达几百km，在其几百km的一个波长内，海面波浪很小，风平浪静，对航行的船只影响很小。一旦海啸接近海岸，前进受到阻挡，就会形成十几米和几十米的浪高，冲向陆地。风暴潮在海面上运动时，伴随着狂风、暴雨和巨浪，冲到陆地后，仍然保持着狂风和暴雨。

　　第三，这种波长极长、速度极快的海啸波，一旦从深海到达了岸边，前进受到了阻挡，其全部的巨大能量，将变为巨大的破坏力量，摧毁一切可以摧毁的东西，造成巨大的灾难。

图3海啸波从深海到达了岸边，前进受到了阻挡，其全部的巨大能量，将变为巨大的破坏力量，摧毁一切可以摧毁的东西，造成巨大的灾难。

海啸的灾害

　　地球上三分之二的面积是海洋，海洋中，最大是太平洋，它几乎占地球面积的三分之一。太平洋的周围是地球上构造运动最活跃的地带，大量的地震、火山，因此，太平洋是最容易发生海啸的地方，人们对海啸的研究，对海啸灾害的预警系统都集中在太平洋。

图4 1900-1983年期间，浪高超过2.5m海啸在太平洋的发源地

在人类的灾害史上，海啸从来就是一种巨大的自然灾害。海啸携带着巨大的能量，以极大速度冲向陆地的几米甚至几十米的巨浪，它在滨海区域的表现形式是海面陡涨,骤然形成“水墙”,伴随着隆隆巨响,瞬时侵入滨海陆地,吞没良田和城镇村庄,然后海水又骤然退去,或先退后涨,有时反复多次，有极其巨大的破坏力。1946年，3，700km外的阿拉斯加的阿留申群岛发生地震，海啸传到夏威夷，破坏极大，159人死亡。历史记载破坏最大的海啸发生在1755年，葡萄牙近海发生大地震，5m浪高的海啸席卷里斯本，235，000居民中，死亡60，000。这次海啸的巨大，4个小时后，又袭击了印度的西海岸，由此可以看出其破坏威力的巨大。

表2历史上破坏巨大的海啸

　　最近的印度洋海啸灾害是出人意料的。印尼苏门答腊附近海域深海大地震的参数是：

　　发震时刻：2004年12月26日08时58分55秒。

　　震中坐标：北纬3.9度，东经95.9度（震中处海深千米以上）。

　　震级：Ms 8.7（中国），Ms9.0（美国）

　　震中为无人居住的海洋，故地震本身造成的死人不多。

地震产生的海啸，袭击了几百、几千公里外的不设防的海岸带，人口密集，故灾害严重。这次印度洋地震引发的海啸波及印尼、斯里兰卡、泰国、印度、马来西亚、孟加拉国、缅甸、马尔代夫等国，遇难者总数2周内已超过16万人。

为什么这次地震引起的海啸产生如此巨大的灾害呢？首先，这次印尼苏门答腊附近海域8。7级地震，是近50年来全世界发生的特大地震，是印度洋地区历史上发生的震级最大的地震，而且符合深海、大地震、断层上下错动等产生海啸的条件^[1]，因此，产生了巨大的海啸。

由于印度洋深海大地震不多，历史海啸灾害记载也不多，所以，人们对于海啸灾害的预防不足，也没有建立必要的海啸预警系统。这可能是这次海啸灾害之巨大的另一个原因。

　　中国的海啸灾害

　　中国处于太平洋的西部，有很长的海岸线，中国受海啸的影响大不大？中国的海啸灾害严重不严重？我们先来看看中国的近海产生海啸的可能性。

　　中国的近海，渤海平均深度为20m。黄海40m，东海340m，它们的深度都不大，只有南海平均深度为1，200m。因此，大部分海域地震产生地震海啸的可能性比较小，只是在南海和东海的个别地方发生特大地震，才有可能产生海啸^[4]。

　　再来看看太平洋产生的地震海啸对中国海岸的影响。亚洲东部有一系列的岛弧，从北往南有勘察加半岛、千岛群岛、日本列岛、琉球群岛，直到菲律宾。这一系列的天然岛弧屏蔽了中国的大部分海岸线；另一方面，中国的海域大部是浅水大陆架地带，向外延伸远，海底地形平缓而开阔，不象印尼地震海啸影响许多地区那样，海底逐渐由深变浅，中间没有一个平缓的缓冲带。因此，中国受太平洋方向来的海啸袭击的可能性不大。1960年，智利发生8级大地震，产生地震海啸，对菲律宾、日本等地造成巨大的灾害，但传到中国的东海，在上海附近的吴淞验潮站，浪高只有15-20cm，没有造成灾害。这次印尼地震海啸，海南岛的三亚验潮站记录的海啸浪高只有8cm。

　　查阅中国的灾害历史记录，有关海啸灾害的记载不多，个别记载，灾害不大，受灾区域十分有限。历史记录中曾有多次“海水溢”的现象，其中有一次记录的海啸，即1867年台湾基隆北的海中发生的7级地震引起了海啸。其余大部分的“海水溢”现象，大都是风暴潮引起的近海海面变化，而不是海啸。值得指出的是，1604年福建泉州海域发生7。5级地震，1918年广东南澳近海发生的7。3级地震，都是发生在海洋中的大地震，但都没有产生海啸。全世界发生在海洋中的地震，只有一小部分产生海啸。

　　中国的海岸受海啸的影响不大，但中国东部的海岸地区地势较低，许多地区，特别是许多经济发达的沿海大城市只高出海平面几米，受海浪的浪高影响极大。从成灾的角度来看，小海啸，大灾难的情况完全是有可能的，绝不可以掉以轻心。一定要有忧患意识，做好灾害预防工作。

　　海啸早期预警系统

图5智利附近地震产生的海啸向外传播，传到各地所需的时间。例如，智利地震海啸传到夏威夷需要12个小时，传到日本则需要22个小时。

　　海啸是向外传播的，因此，知道了海中发生地震的地点，或知道了某处实际测得了海啸的发生，则可以利用海啸需要传播时间，及时向其他地方发出海啸警报。例如，智利附近地震产生的海啸向外传播，海啸传到夏威夷需要12个小时，传到日本则需要22个小时^[5].

　　利用海啸不断从发源地向外的道理，1965年，26个国家和地区进行合作，在夏威夷建立了太平洋海啸警报中心^[6]（The Pacific Tsunami Warning Center (PTWC)），许多国家还建立了类似的国家海啸警报中心。一旦从地震台和国际地震中心得知海洋中发生地震得消息，PTWC就可以计算出海啸到达太平洋各地得时间，发出警报。中国于1963年参加了太平洋海啸警报中心，对于来自太平洋方面的海啸，我们是有防备的。

　　值得指出的是，海啸的产生是个复杂的问题，有的地震会造成海啸，而大部分海洋中的地震不产生海啸，因此，经常发生虚报的情况。例如，1948年，檀香山受到了警报，采取了紧急行动，全部居民撤离了沿岸，结果，根本没有海啸发生，为紧急行动付出了3，000万美元的代价。前几年，在海啸警报中，虚报的比例大约有75%。近几年，随着历史资料的深入分析和数值模拟技术的发展，虚报比例有所下降。

　　参考文献

　　[1]印尼地震海底地形变化资料来自美国地质调查局,见:http:///www.usgs.gov

　　[2]Y. Tanioka，and T. Seno，Detailed analysis of tsunami waveforms generated by the 1946 Aleutian tsunami earthquake。Natural Hazards and Earth System Sciences (2001) 1: 171–175

　　[3] Tatyana Novikova, Kuo-Liang Wen, and Bor-Shouh Huang，Excitation of Surface Waves by a Finite Seismic Source: The Case of Gravity Waves in the Liquid Layer-Elastic Half- Space, TAO, Vol. 12, No. 1, 1-14, March 2001

　　[4]高焕臣，闵庆方，渤海地震海啸发生的可能性分析，海洋预报，1994年01期。

　　[5] Futoshi Nanayama, Kenji Satake, Ryuta Furukawa, Koichi Shimokawa, Brian F. Atwater, Kiyoyuki Shigeno，and Shigeru Yamaki，Unusually large earthquakes

　　inferred from tsunami deposits along the Kuril trench，NATURE ,VOL 424 ,7 , AUGUST 2003.

　　[6]太平洋海啸预警中心见:http://www.prh.noaa.gov/ptwc/