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白話談海嘯

2011/03/14 | | 標籤:

2011/3/11下午1點多,日本宮城縣外海發生規模8.9大地震,並引發海嘯,太平洋海嘯預報中心隨即對太平洋沿岸國家發布海嘯預警,台灣被列入觀察警告名單,隨後中央氣象局發布海嘯警報但是只是要求注意海浪突然湧升造成的危害,看來中央氣象局已經表達了海嘯對台灣地區危害應該不大,但是在媒體推波助瀾下大家看來有點緊張了,中央到地方政府總動員,然後網路上大家開始謠傳會出現10~30公尺的巨浪,這些都顯示大家對海嘯的理解其實不足,當時我也在臉書上回答同學的問題,我認為台灣應該不會有重大災情,不過政府有高度戒備也好,只要不發生重大災害就是好事,但是過度渲染乃至造成恐慌就不妥了,目前科學界對海嘯的研究不能說是完全理解,但大致上其成因已經很有共識了,我嘗試用比較白話的語言來說明海嘯。

引發海嘯的原因很多,海底火山爆發、海底山崩或隕石撞擊都可能引發,但較大的海嘯最主要還是海底地震所引起,較具災難性的海嘯發生基本上要有三個主要條件:第一地震規模達6.5以上,第二在海床上產生斷層(通常這種地震震源都很淺),第三在適當深度的海域,我們假設一個強烈地震發生在某處深達3000公尺的海床上,並形成斷層,這個錯動就可能造成海嘯波向外傳送,海嘯波屬於淺水波(說文解字)的一種,淺水波不是水很淺的意思,意思是波長比水深大很多,所以水深相對於波長就顯得很淺,海嘯波的波長可達百公里,一般海面的波浪波長大概是數公尺到數十公尺,而颱風來時造成的湧浪可能達一、二百公尺,這二者都屬於深水波,淺水波的波速和水深有關,水深越深波速愈快,重力加速度乘以海底深度,再開根號就是波速(v=(gh)^0.5),我們以水深3000公尺來看,海嘯波的波速約為每小時617公里,國中時大家都學過波速為v=λf,其中λ為波長,f為頻率,也就是周期(T)的倒數,海嘯波的周期約為20分鐘~1小時左右,我們以20分鐘(1/3小時)計算,則該海嘯波的波長為206公里,而波高大多小於1公尺,海嘯波波長很長,所以向外傳遞時能量的衰減很慢,假設傳遞到水深200公尺的海域,這時波速就降到約每小時159公里,你也可以自己算一下這時波長的長度了!波長會由206公里縮減到53公里,這時你可以想像一下,波長這樣縮短,但是能量不太減少,於是淺水區的波高就會迅速堆高(你可以想像一下把一個波形擠壓一下,長度縮短高度就變高了),如果水深到20公尺呢?這時公式可能不太管用了,但是水位就會疊得更高,可能高達10到數十公尺,所以當這個淺水海域的海嘯波來的時候,由於水位迅速拉高遠超過海水的量體,這時更淺水區域的海水會迅速往後退以補充被拉高的波峰下方的海水,這時在海岸邊就會有大退潮現象發生,接下來海嘯就會排山倒海而來衝擊海岸,所以遇到海水大退潮無論如何要往陸地方向逃命要緊,千萬不要再逗留在海岸邊。

海嘯的波速很快,在大洋中以水深5000公尺計算,海嘯波速可達每小時800公里,你就想像是國際民航客機航行的速度就差不多了,所以,從日本到台灣大約是3到4個小時左右,但是波速會隨深度改變,到達岸邊因為海水深度變淺所以速度會開始變慢,這時主要考量的因素除了海水深度也要考慮海岸地形,所以各地差異很大,以南亞海嘯而言,有些地方速度高達每小時50公里,你可以閉上眼睛想像一下,高達20公尺的水牆以每小時50公里的速度朝你而來,不要小看水,每一立方公尺有一公噸的質量,以數百萬公噸計的海水以每小時50公里速度襲擊而來,當然是摧枯拉朽,南亞海嘯過後看到房屋牆破洞穿、鐵路火車被推數公里遠的景象,日本這次的海嘯現場空拍的畫面也讓人驚心動魄,房屋、船舶、汽車在大自然的力量下,宛如玩具一般被海嘯玩弄於股掌之間。

這次日本宮城大地震之後台灣地區也發布了海嘯特報,這裡我們要討論兩個問題:

  • 第一為何花蓮、台東海嘯到達預告時間比基隆早?
  • 第二為何台灣地區只出現約10cm的波高?

第一個問題主要跟海嘯波所經過的海域水深有關,我們先看一下由日本到台灣的海底地形

由宮城地震震央到台灣兩個地點的大概路徑(底圖擷取自google earth)

圖上的路徑只是大概估計的路徑,我們可以看出海嘯波到達基隆前會經過一段東海陸棚區,這裡水深一般在200米左右,而到達台東或花蓮大致上是穿越過菲律賓海板塊的洋底盆地,水深一般達4000米以上,所以中央氣象局預測海嘯到達花蓮時間為17:32、台東為17:36,而比較接近的基隆為18:04反而慢了半個小時。

第二個問題主要是,如果海嘯要堆高波高則由深海到淺海區域深度變化不能太快,台灣東部海域約2到3公里水深降到200公尺,到30公里外海水深就達3000公尺,這樣的深度變化速度太快,我做個比喻大家會比較了解,大家都知道當波穿過不同介質時會有折射或是反射的現象,如果兩個介質之間像水與空氣之間是快速變化的,那波穿過介面時就會有一部分能量折射穿越也有一部分反射回去,台灣東部的深度變化和這個很類似,因此海嘯來襲造成的危害相對也較小,但是如果水深變化是緩慢漸變的,那波穿越介質時就以折射為主反射比較少,這時波前進的方向會改變,但能量就比較沒被反射,那危害就較大了。

說文解字

深水波(Deep water wave):水深比一半波長(L/2)深時稱之。
淺水波(Shallow water wave):水深比廿分之一波長(L/20)淺時稱之。

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