Visa fråga/svar

 

Ljud-Ljus-Vågor [13640]

Fråga:
Hur uppstår monstervågor och tsunamis?
/Veckans fråga

Ursprunglig fråga:
Kan du beskriva hur monstervågor och tsunamis uppstår?
/Sven P, Stockholm

Svar:
Det finns väl i dag knappast någon svensk som inte på något sätt påverkats av den förfärliga katastrofen runt Indiska Oceanen. Jag har därför lagt ner lite tid på att studera fenomenet tsunamis och skriva en sammanfattning av i första hand de fysikaliska aspekterna.

För det första skall vi skilja på monstervågor och tsunamis. Monstervågor är exceptionellt höga vågor ute på havet. Vi har behandlat monstervågor i ett par frågor tidigare, se monstervåg .

Jag är ingalunda någon expert på tsunamis, och eftersom de är ganska ovanliga så är kunskapen även bland experter begränsad. Det påstås t.ex. att det före tsunamin den 26 december 2004 inte fanns bra rörliga bilder på en aktiv tsunami!

Vågorna som svepte in på kusterna runt Indiska Oceanen på morgonen den 26 december 2004 kallas tsunami (uttalas su-na-mi). Tsunami är ett japanskt ord bildat av tsu (hamn) och nami (våg). Det är alltså en våg som ger sig tillkänna på grunt vatten, t.ex. i en hamn. Ute på djupt vatten är tsunamin nästan inte märkbar - vågens höjd kan vara någon meter och våglängden flera hundra km.

Vad orsakar tsunamis?

Tsunamis orsakas av jordbävningar, jordskred, vulkanutbrott eller meteoritnedslag som påverkar vattnet och sätter igång en serie vågor som kan färdas tusentals km. En förenklad analogi är de ringar som uppstår i en vattenyta när man kastar i en sten.


Uppkomst genom jordskalv

Bilden ovan visar hur en jordbävning i gränsen mellan två kontinentalplattor ger upphov till en våg som fortplantas i alla riktningar. Lika lite som man kan förutsäga jordskalv kan man säkert säga om ett jordskalv under vattenytan kommer att orsaka en tsunami. Det beror helt på jordskalvets geometri. Förutsättningen för en tsunami är en kraftig rörelse som ger upphov till vertikal förflyttning av stora vattenmassor.

Utbredning och energiinnehåll

En tsunami är vad som kallas 'shallow-water wave' (grunt-vatten våg) eftersom förhållandet mellan vattendjupet (upp till 5-10 km i oceanerna) och våglängden (flera 100 km) är litet.

Vågens hastighet ges av

v = (g*d)1/2

där g är tyngaccelerationen och d är djupet. För ett typiskt oceandjup på 5000 m blir hastigheten 220 m/s eller 800 km/t, alltså ungefär hastigheten av en jumbojet.

Låt oss göra en grov uppskattning av energiinnehållet i en tsunami. Om havsdjupet är 5000 m och förkastningshöjden 10 m blir ändringen i potentiell energi per m2: g*m*h = 10*5000*1*1*1000*10 = 5*108 J. Detta motsvarar effekten för ett kärnkraftverk om det utvecklas på en sekund. Eftersom förkastningsförskjutningen sker över en sträcka på flera 10-tals km och är kanske 100 meter bred, kan man se att enorma energimängder är involverade. En förkastning på 10km*100m skulle innehålla energin 5*1014 J. Detta är anledningen till att tsunamis kan orsaka så stora skador.

Utbredningen på öppna havet är ganska lätt att förutsäga, men varierande havsdjup kan - eftersom utbredningshastigheten varierar med djupet - fokusera och defokusera vågorna precis som en lins kan fokusera ljus - se datorsimuleringen längre ner. Observera att perioden hos vågen (typiskt 10-60 minuter) är konstant; den minskande utbredningshastigheten när djupet blir mindre gör därmed att våglängden blir mindre (hastigheten = våglängden*frekvensen).

När en tsunami närmar sig land och det blir grundare, minskar alltså vågens hastighet. Enligt ovanstående blir hastigheten vid djupet 100 m 30 m/s eller 110 km/t. Hastigheten minskar först i framkanten så de bakre delarna tvingas upp och vågen blir högre. Energimässigt kan man se detta som att den kinetetiska energin delvis övergår i potentiell energi.

Verkningar

Vågen kan bli mer än 10 m hög nära stranden. Som vanliga vågor kommer tsunami-vågen att "bryta" när den blir riktigt grunt (när vattendjupet är ungefär lika med vågens höjd), och i detta läget är den en fara för båtar. Innan vågen bryter klarar sig båtar i allmänhet utmärkt - de bara följer med vågen.


Våglängden som funktion av djupet

I ovanstående figur ser man att vågens höjd ökar nära stranden. Man kan också lägga märke till att det i de flesta fall är en vågdal som är det första som träffar stranden. Detta kan utgöra en varning: om du ser att strandlinjen dras ut till havs mycket snabbt, kan det vara en tsunami på väg, och du skall snabbt ta dig inåt land så högt upp du kan komma.

Det är framför allt två saker som skiljer en tsunami-våg från en vanlig havsvåg.

För det första är hela vattenmassan från ytan till botten involverad i en tsunami-våg. En havsvåg berör endast ytskiktet. Tsunamin kan alltså innehålla mycket mer energi.

För det andra är våglängden mycket lång - även nära stranden är den åtskilliga km. Detta betyder att en tsunami-våg har mycket större förmåga att nå långt upp på land. En vanlig våg följs ju mycket tätt av en vågdal, som när den första vågen bromsas upp hinns den upp av nästa vågdal som tvingar den att vända. En tsunami har så lång våglängd att effekten blir mer som en översvämning - vattnet bara fortsätter framåt. Eftersom våglängden är så lång mosvarar tsunamin närmast en mycket snabb (sekunder) höjning av havsnivån på kanske 10 m under 10-60 minuter. På så lång tid kan vågen hinna långt inåt land.

Varningssystem


Varningssystem i Stilla Havet

I Stilla Havet finns sedan många år ett varningsnätverk med detektorer spridda över hela oceanen, se bilden ovan och International Tsunami Information Center . I första hand detekterar man jordbävningar med seismografer spridda över hela området.


Mätstation för tsunamivarning

När en undervattensjordbävning med styrkan överstigande 6.5 på richterskalan detekteras gör man mätningar med automatiska tidvattensmätare, se bilden ovan och DART Mooring System , nära epicentrum för jordbävningen.


Tidvattensmätning från Indien (från National Institute of Oceanography)

Tidvattensmätarna kan detektera små ändringar i havsnivån, se exemplet ovan. Data skickas från en boj via en satellit till en central som bearbetar data, gör förutsägelser och skickar ut en varning.

Kommentar till mätningen ovan: Mätningen är gjord med ett landbaserat system. Man ser tydligt den sinusformade kurvan för ebb och flod. Klockan 0905 lokal tid den 26 syns verkningarna av tsunamin. Den röda pilen indikerar tidpunkten för jordbävningen. (Jordbävningen inträffade 07:58:53 lokal tid i Sumatra - avvikelsen beror på att Indisk och Sumatra tid skiljer sig från varandra med 1.5 timmar.) Mätningen kunde inte användas för att varna befolkningen - det var redan för sent eftersom mätstationen ligger vid den Indiska kusten. Dessutom fanns ingen etablerad snabb procedur för varning.


Stora tsunamis

I rapporteringen av tsunamin av den 26 december 2004 har det sagts att anledningen till att det inte finns något varningssytem i Indiska Oceanen är att det är sällsynt med skadliga tsunamis. I ovanstående tabell kan man se att detta helt enkelt inte är sant. Speciellt Indonesien och närliggande öar har vid flera tillfällen drabbats mycket hårt. En anledning till detta är säkert att Indonesien är fattigt och tättbefolkat - många människor bor i enkla hus nära havet. Man har även, bland annat på Sumatra, skapat land med vallar (det holländska inflytandet?). Dessa områden ligger ofta under havsnivå, och eftersom vallarna förstörs av tsunamin, kommer landet att översvämmas.

Eftersom flera av länderna runt Indiska Oceanen är mycket beroende av turism från rika länder, så kommer det säkert snart byggas upp ett förvarningssystem liknande det som finns i Stilla Havet. Att lägga ut ett antal mätstationer är inte särskilt svårt eller dyrt, men ett varningssystem kräver också en infrastruktur av kommunikation, information, åtgärdsberedskap och övningar.


Datorsimulering av tsunami

Bilden ovan på 2004 års tsunami är från Vasily V. Titov, Tsunami Inundation Mapping Efforts, National Oceanic and Atmospheric Administration . Den är resultatet av en beräkning som tar hänsyn till inflytandet av havsdjup och öar. Observera hur vågorna bromsas upp och bryts av grunda områden kring ögrupper bland annat i riktning mot Madagaskar.

Mer information

Se länk 1 för sidor med information om tsunamis. I SMHIs frågelåda finns också en mycket bra artikel på svenska: Tsunami . Se 2004_Indian_Ocean_earthquake och Jordbävningen_i_Indiska_oceanen_2004 för omfattande information om den stora jordbävningen/tsunamin utanför Sumatra den 26 december 2004. Bilderna är från Tsunami glossary och National Institute of Oceanography (tidvattenmätning). Länk 2 är till en detaljerad artikel om tsunamin i Thailand 2004.

Video om tsunamis från National Geographic:

http://video.nationalgeographic.com/video/101-videos/tsunami-101
/Peter E

Nyckelord: tsunami [5];

1 http://fragelada.fysik.org/links/search.asp?keyword=tsunami
2 http://www.agu.org/pubs/crossref/2009/2009JC005516.shtml

*

 

 

Frågelådan innehåller 7317 frågor med svar.
Senaste ändringen i databasen gjordes 2018-10-11 17:04:02.


sök | söktips | Veckans fråga | alla 'Veckans fråga' | ämnen | dokumentation | ställ en fråga
till diskussionsfora

 

Creative Commons License

Denna sida från NRCF är licensierad under Creative Commons:
Erkännande-Ickekommersiell-Inga bearbetningar
.