Цунамиопасная зона: как ученые составляют прогноз цунами на побережье Камчатки

Курило-Камчатское побережье — уникальное, но достаточно уязвимое место. Из-за того что оно омывается с двух сторон Тихим океаном и Охотским морем, а также находится в зоне постоянных землетрясений, существует риск цунами. Для того чтобы обеспечить безопасность местным жителям, сибирские ученые составляют прогнозы возникновения таких волн. Совсем недавно исследователи оценили цунамиопасность поселка Октябрьский, расположенного на узкой песчаной косе на западном побережье Камчатки. Статья об этом будет опубликована в пятом номере журнала «Вулканология и сейсмология» за 2024 год.

Цунами — это длинные гравитационные волны, которые возникают в океанах, в основном при сильных подводных землетрясениях, когда морское дно деформируется на большой площади. Хотя начальное смещение, на первый взгляд, может быть небольшим (в пределах одного-двух метров), оно начинает распространяться во все стороны от очага землетрясения, и возникает длинная гравитационная волна. В то время как даже сильнейшие штормы и ураганы затрагивают несколько сотен метров глубины океана, цунами приводит в движение всю его толщу в несколько километров.

«Это явление опасно своей внезапностью, быстротой распространения и силой воздействия на побережье. В открытом океане цунами практически не заметны и не представляют опасности для судов благодаря большой длине волны (до сотни километров) и небольшой амплитуде (не более одного-двух метров). При приближении к берегу по мере уменьшения глубины воды скорость волны уменьшается, она становится круче и может воздействовать на берег с большой разрушительной силой. По скорости цунами в глубоком океане можно сравнить с реактивным самолетом: от землетрясения до выхода волны на берег проходит порядка 20 минут, что создает проблему для оперативного прогноза», — рассказывает главный научный сотрудник Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН доктор физико-математических наук Вячеслав Константинович Гусяков.

Цунами обычно делят по их генезису, то есть по типу источника (сейсмогенные, вулканогенные, обвальные и метеорологические), и также по их энергии (интенсивности, измеряемой по шкале Соловьева — Имамуры). Цунами с интенсивностью менее одного балла по этой шкале, как правило, неопасны и регистрируются только приборами (мареографами). Высота таких цунами находится в пределах высоты приливов (0,5—1,5 м) для большинства участков океанического побережья. Цунами с интенсивностью один-три балла уже способны проникать далеко вглубь берега (десятки и сотни метров) и приводить к гибели людей, оказавшихся в зоне их воздействия. Самые опасные цунами имеют интенсивность четыре и более балла, они могут распространяться на тысячи километров и даже достигать противоположных берегов океана. Такие волны возникают при сильнейших субдукционных землетрясениях и называются трансокеанскими.

Курило-Камчатское побережье — наиболее цунамиопасный регион России, оно подвержено всем видам цунами, но наибольшую опасность представляют сейсмогенные, то есть те, которые возникают при сильных мелкофокусных (с глубиной очага до 70 км) подводных землетрясениях. Это почти 95 % цунами, случившихся за 200 с лишним лет начиная с 1737 года. Рядом с Камчаткой проходит Курило-Камчатская сейсмогенная зона. Она располагается между цепочкой островов и глубоководным желобом, где постоянно происходят подводные землетрясения, в том числе и сильнейшие, магнитудой 9. 

Главный источник информации для прогноза цунами — это сейсмограммы, то есть наблюдение над землетрясениями. Когда происходит землетрясение, запускается определенная процедура определения места, глубины, магнитуды. По этим параметрам прогнозируют высоту цунами на побережье и время, за которое волна дойдет до берега. 
 
«Существующая на Дальневосточном побережье Служба предупреждения цунами работает с 1958 года и обеспечивает своими прогнозами всё побережье, в первую очередь его тихоокеанскую часть, которая чаще всего подвержена воздействию цунами, в том числе и из других удаленных цунамигенных зон Тихого океана. Специально обученный персонал на основании сейсмологических и мариографных наблюдений выдает сигнал тревоги в течение пяти-семи минут. Мы занимаемся изучением всех потенциально опасных источников цунами, в первую очередь для улучшения и повышения надежности оперативных прогнозов цунами, а также для создания карт цунамиопасности побережья, то есть делаем долгосрочный прогноз», — поделился Вячеслав Гусяков.

В Новосибирске исследования цунами проводятся с середины 1970-х годов в Институте вычислительной математики и математической геофизики СО РАН и Федеральном исследовательском центре информационных и вычислительных технологий СО РАН. Недавно ученые выполнили оценку цунамиопасности поселка Октябрьский, чтобы решить его дальнейшую судьбу, — такой заказ поступил из местной администрации. Поселок находится на западном (Охотоморском) побережье полуострова и располагается на узкой песчано-галечной косе шириной в несколько сот метров и выстой всего в пять-шесть метров. Постоянно здесь проживают до 1 200 человек, летом население увеличивается до четырех-пяти тысяч. Единственная дорога, связывающая Октябрьский с Большой землей, то есть с полуостровом Камчатка, проходит по той же узкой косе, которая, с одной стороны, подвержена штормовому воздействию со стороны Охотского моря, с другой — летним дождевым паводкам и весенним разливам реки Большой. По этой же косе идет и единственная линия электропередачи: по ней поселок получает электроэнергию из Большерецка. В период сильных осенних и зимних штормов коса часто перехлестывается волнами и транспортная доступность Октябрьского нарушается.

«Цунамиактивность охотоморских землетрясений существенно (более чем на порядок) ниже, чем курило-камчатских. Соответственно, цунамиопасность всех участков охотоморского побережья меньше, но это не означает ее отсутствия совсем. Например, трансокеанские цунами, приходящие сюда из других, иногда очень дальних цунамигенных зон, допустим, от берегов Южной Америки, способны проникать через цепочку Курильских остовов и вызывать опасные колебания уровня Охотского моря. Дать оценку повторяемости и размаха таких колебаний в районе Октябрьской косы было одной из задач работы», — отметил Вячеслав Гусяков.

Сам процесс моделирования возбуждения и распространения в океане волн цунами в настоящее время хорошо отработан. У исследователей имеются несколько программных пакетов, как открытых, так и коммерческих, которые хорошо решают эту задачу в рамках той или иной математический модели, в частности в рамках нелинейной теории мелкой воды. 

Для расчетов распространения цунами в акватории Охотского моря использовали пакет MGC, созданный в Институте вычислительных технологий СО РАН. Ключевая проблема тут — получение цифровой батиметрии (рельефа дна) на район распространения цунами. Наиболее сложный для моделирования третий этап эволюции цунами — выход волны непосредственно на берег. Сложность связана с наличием движущейся границы расчетной области. Обычно здесь прибегают к использованию приближенных инженерных формул, которые хорошо работают только для простых побережий типа протяженного пляжа с постоянным уклоном дна и берега. В мире существует всего несколько исследовательских групп, способных выполнять численные расчеты набегания цунами на прибрежную зону с реальной конфигурацией и топографией. Один из вариантов алгоритма расчета наката цунами на берег имеется в составе пакета MGC.

Для оценки цунамиопасности поселка Октябрьский новосибирские ученые использовали методику худшего случая. На основе имеющейся статистики сейсмологических наблюдений над землетрясениями в Охотском море (не такой длинной и богатой событиями, как в Курило-Камчатском желобе) изучались механизмы очагов подводных землетрясений, оценивались магнитуды, максимально возможные в той или иной части его акватории, и повторяемость. Получение таких сведений составляет основу сценарного подхода к получению оценок цунамиопасности для конкретных пунктов побережья. 

Дилемма для краевой администрации в случае поселка Октябрьский была такая — вкладывать средства в развитие поселка, укрепление его транспортной доступности и энергонезависимости или решить все проблемы разом, ликвидировав поселок и выдав его постоянным жителям сертификаты для приобретения жилья на Большой земле. Интересно, что единого мнения по этому вопросу нет и у самих жителей Октябрьского. По словам представителей местной администрации, с которыми довелось общаться исследователям, около половины жителей готовы покинуть поселок, в то время как другая половина никуда уезжать не собирается. Губернаторское решение по поводу судьбы Октябрьского пока не принято.

«Главный вывод исследования заключался в том, что опасность цунами для поселка Октябрьский существует, она вполне реальна. В среднем один раз в несколько десятков лет здесь возможны цунами с высотой до четырех-пяти метров, которые способны залить проходящую по косе дорогу и надолго прервать сообщение поселка с Большой землей. Такие волны могут возникать от охотоморских землетрясений магнитуды порядка 8, с очагами на северо-западном шельфе Сахалина. Еще большие высоты (до семи метров) возможны при возникновении предельно сильного землетрясения в районе Северных Курил, подобного тому, что произошло здесь в 1952 году. При этом возникает реальная угроза для жителей поселка, который попросту не имеет безопасных путей и мест для эвакуации», — прокомментировал Вячеслав Гусяков.

Сейчас новосибирские ученые активно исследуют цунамиопасность восточного побережья Камчатки, а именно участка Халактырского пляжа, расположенного вблизи Петропавловска-Камчатского. Это единственное транспортно доступное место для морского отдыха жителей краевого центра. Взамен дикого туризма, ухудшающего экологию побережья и опасного для жизни самих отдыхающих, в этом месте планируется создание современной зоны для отдыха.

Ирина Баранова

Изображения предоставлены исследователем