СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЦУНАМИ Российский патент 2007 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к гидромеханике, в частности к обеспечению безопасности населенных пунктов и сооружений на морском побережье при обрушениях на береговую линию больших масс воды.

Известны способы возбуждения цунами в результате подводного землетрясения, взрыва вулкана, искусственного взрыва в воде, обвала береговых скал или гор [1]. Земная кора составлена из обширных тектонических плит, находящихся в относительном движении. В одних областях земного шара они расходятся, в других сталкиваются, наползая друг на друга. Возникающие при этом напряжения время от времени порождают резкие и значительные сдвиги земной коры, т.е. землетрясения. Протяженный пояс сталкивающихся тектонических плит расположен в Тихом океане, поэтому там довольно часто происходят подводные землетрясения. Сопровождающие их подводные толчки создают резкие сдвиги больших водных масс и часто порождают одиночные волны или солитоны длиной в десятки и сотни километров и высотой 10 и более метров. Распространяясь со скоростью несколько сотен километров в час в открытом море, они замедляются вблизи побережья, но при этом их высота возрастает. Это цунами. Гигантская волна обрушивается на берег, смывая все на своем пути. Например, 28 декабря 1908 года в результате подводного землетрясения магнитудой 7,5 баллов по шкале Рихтера на город Мессина, что на острове Сицилия, обрушилась гигантская волна высотой до 15 м. По разным оценкам погибло от 160 до 250 тыс. жителей. Последняя катастрофа такого рода произошла 26 декабря 2004 года. В районе острова Суматра в Индийском океане произошло землетрясение с магнитудой 8,9 по шкале Рихтера. Вследствие вызывного им цунами пострадало население 36 стран. Согласно экспертам ООН, число жертв может превысить 150 тысяч человек, около 1,7 млн. человек осталось без крова. Другим источником цунами могут служить вулканические извержения. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются кальдеры, которые моментально заполняются водой, в результате чего возникает длинная и невысокая волна. Например, взрыв вулкана Кракатау в 1883 году привел к образованию на берегах Индонезии цунами с высотой до 45 м. Жертвами этой катастрофы стали 36 тыс. человек, уничтожено в общей сложности 5000 кораблей. Причиной возникновения цунами может быть оползень. 9 июля 1958 года в результате землетрясения на Аляске в бухте Литуйя возник оползень. Масса льда и земных пород обрушилась с высоты 900 м. Образовалась волна, достигшая на противоположном берегу бухты высоты 6 м. Другой способ генерации цунами связан с применением энергии атомного взрыва. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28,6 м, а в 6,5 км от эпицентра еще достигала 1,8 м [2]. Эксперименты дали возможность установить, какой именно гребень бывает наибольшим, а какой - наименьшим. Наконец, с целью изучения разрушающего действия гигантских волн и отыскания наиболее эффективных путей защиты от них японские исследователи в 2005 году смоделировали искусственное цунами высотой 2,5 м.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения (прототипом) является способ генерации цунами японскими учеными в 2005 году [3]. Цунами создавалось посредством импульсного движения поршня, вдвигаемого в специальную камеру, сообщающуюся с бассейном. Искусственное цунами было создано в действующем под эгидой министерства государственных земель и транспорта Исследовательском институте портовых и аэропортовых сооружений в городе Иокосука. Для эксперимента был использован резервуар длиной 184 м, шириной 3,5 м и глубиной 5 м. Только на его реконструкцию для получения напоминающей цунами длинной волны, которая обрушилась на макет деревянного домика с находившимися внутри куклами в человеческий рост, потребовалось около 30 млн. иен (свыше $270 тыс.). Участникам эксперимента удалось добиться того, что максимальное давление воды достигло 10 т на 1 квадратный метр. Это примерно в 25 раз меньше, чем во время цунами 2004 года.

Недостатками способа-прототипа являются:

- реализация цунами в небольшом закрытом бассейне, который невозможно считать подходящей моделью естественного рельефа побережья в открытом море; вследствие этого результаты исследований не могут соответствовать реальной картине формирования гигантской волны при подходе к берегу и являться основаниями для организации системы защиты от цунами конкретных населенных пунктов и сооружений;

- генерация цунами в весьма ограниченном диапазоне их параметров;

- неудобство использованного метода создания начального импульсного сдвига водной массы (солитона) с помощью взрыва, что усложняет подготовку повторных экспериментов и замедляет накопление данных;

- большая суммарная стоимость одного эксперимента.

Задачей заявляемого изобретения является создание способа генерации цунами в открытом море с естественным рельефом побережья в наиболее вероятных местах возникновения природного цунами (что дает возможность организовывать систему эффективной защиты населенных пунктов и сооружений), который позволяет варьировать параметры цунами в широком диапазоне, просто и часто повторять эксперименты при относительно небольшой их стоимости.

Это достигается тем, что генерация цунами производится движущимся судном при его проходе через специально подготовленный участок дна (полигон) с определенной скоростью, зависящей от глубины полигона. Оптимальное значение необходимой скорости ν вычисляется по формуле , где g - ускорение силы тяжести, Н - глубина залегания полигона, с возможным разбросом в обе стороны порядка 25%. Вместо участка ровного дна площадку можно создавать искусственно в виде переносных или не транспортируемых плит. Возможна также одновременная или последовательная генерация нескольких солитонов с помощью нескольких кораблей.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. На некотором расстоянии (порядка нескольких километров) от берега подготавливается ровная (с неровностями не более 0,01 Н) горизонтальная поверхность дна - полигон. Длина и ширина полигона не должны быть меньше длины и ширины судна. Судно, проходящее над полигоном со скоростью, близкой к величине , создает "спутную волну", которая движется вместе с ним до тех пор, пока оно не выйдет из зоны полигона или же резко (не менее чем в 1,25 раза) не изменит скорость. Тогда волна "отрывается" от судна (образуется солитон) и движется далее в сторону берега, практически без затухания. Подходя к берегу, волна замедляется и увеличивается, превращаясь в цунами. Энергия образовавшегося солитона растет с увеличением водоизмещения судна, поэтому легко получить цунами в широком диапазоне параметров. Таким образом, на любом участке берега можно генерировать как значительные, так и совсем небольшие цунами, в зависимости от скорости и водоизмещения судна, изучать характер их движения и т.д., и как следствие, находить эффективные пассивные и активные методы снижения последствий разрушительного действия природных цунами.

Пример осуществления способа. В 1912 году миноносец "Новик" проходил 20-ти узловым ходом на расстоянии 6 миль мимо пристани, возвышающейся над водой на 9 футов (3 м). Был мертвый штиль; на пристани лежала вверх дном шлюпка, и играли два мальчика десяти и шести лет. Старший заметил, что на пристань надвигается высокая волна и бросился бежать, а младший остался на пристани. Волна вкатила на пристань, смыла шлюпку и все, что было на пристани, в том числе и мальчика, который и утонул. С корабля ничего этого видно не было, и лишь по приходе на базу командиру была доставлена телеграмма о произошедшем несчастье. Организованное по этому поводу следствие установило, что на открытом плесе по пути "Новика" была короткая банка с глубиной воды 35 футов. Эта глубина является как раз критической для скорости ν=20 узлов: . В результате образовалась громадная волна, которая затем побежала дальше и натворила беду [4].

Литература

1. Теория и оперативный прогноз цунами /Ред. С.Л.Соловьев; Наука, 1980, 173 с.

2. Землетрясения и цунами /Международный информационный центр по цунами, 2004.

3. http:www.inauka.ru/news/article54814.html. ИТАР-ТАСС, 29.06.2005.

4. Мои воспоминания /А.Н.Крылов, Л.: Судостроение, 1984, 367 с.

Изобретение относится к способам генерации цунами и может быть использовано для изучения характера их движения, а также нахождения методов снижения последствий разрушительного действия природных цунами. Сущность изобретения: данный способ заключается в создании солитона на воде. Причем солитон генерируется кораблем, проходящим над участком специально подготовленного ровного горизонтального полигона со скоростью, близкой к величине , где g - ускорение силы тяжести, Н - глубина полигона. Длина и ширина полигона должны быть не менее длины и ширины корабля. Технический результат: упрощение экспериментов. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ генерации цунами, заключающийся в создании солитона на воде, отличающийся тем, что солитон генерируется кораблем, проходящим над участком специально подготовленного ровного горизонтального полигона длиной и шириной не менее длины и ширины корабля со скоростью, близкой к величине , где g - ускорение силы тяжести, Н - глубина полигона.2. Способ генерации цунами по п.1, отличающийся тем, что полигон создается искусственно в виде переносных или нетранспортируемых плит.3. Способ генерации цунами по п.1, отличающийся тем, что несколько движущихся кораблей одновременно создают несколько солитонов.4. Способ генерации цунами по п.1, отличающийся тем, что один или несколько движущихся кораблей последовательно создают несколько солитонов.