Имя Класс Дата

EARTH EXPLAINED · РАЗРАБОТКА УРОКА

День, когда сдвинулась Япония

Землетрясение Тохоку и цунами 2011 года, начиная с тектонических плит

Видео 9:27Уровень 6–12 классы · вводный университетский курс геологииСтандарты MS-ESS2-2, MS-ESS3-2, HS-ESS2-1, HS-ESS3-1, HS-PS4-1
Язык Русский

English · Español · Português · Français · Deutsch · Italiano · Русский · Türkçe · Bahasa Indonesia · Tiếng Việt · 中文 · 日本語 · 한국어 · हिन्दी · বাংলা · اردو · العربية

Смотреть надля школьных сетей, где YouTube заблокирован

Почему одна из самых подготовленных стран на Земле всё равно так сильно пострадала 11 марта 2011 года, хотя предупреждающие знаки более тысячи лет были записаны в её истории и погребены в её почве?

11 марта 2011 года Тихоокеанская плита сместилась на целых 50 метров под северную Японию вдоль Японского жёлоба; произошло землетрясение магнитудой 9,0–9,1, самое сильное из когда-либо измеренных в Японии. Этот урок прослеживает событие начиная с плит: сцепленный разлом зоны субдукции, веками накапливавший деформацию; цунами Дзёган 869 года, песок которого до сих пор лежит под равниной Сендай; первые минуты предупреждений; цунами, которое поднялось примерно до 40 метров и пересекло Тихий океан; человеческие и физические последствия; и изменения, которые Япония провела после этого. Урок завершается жёлобом Нанкай — разломом, за которым Япония следит теперь.

Субтитры (.vtt)Субтитры (.srt)
Субтитры ещё на 16 языках

Цели обучения После урока ученики смогут:

  1. Назвать четыре плиты, которые сходятся у Японии, и объяснить, как субдукция Тихоокеанской плиты у Японского жёлоба накапливает деформацию на сцепленном разломе и высвобождает её в сильнейших землетрясениях.
  2. Объяснить, как внезапное поднятие морского дна порождает цунами и почему в глубоком океане цунами движется быстро и имеет небольшую высоту, а у берега замедляется и растёт.
  3. С помощью исторических записей и слоёв песка, оставленных цунами, объяснить, как цунами Дзёган 869 года выявило опасность и почему прогнозы, ожидавшие землетрясение магнитудой около 8, всё равно её недооценили.
  4. Описать, как сработали система раннего предупреждения о землетрясениях и предупреждения о цунами 11 марта 2011 года, в том числе почему первая оценка магнитуды, 7,9, оказалась слишком низкой и как наблюдения в море помогли исправить предупреждения.
  5. Интерпретировать измерения физических последствий события: длину разрыва и смещение, высоту заплеска, смещение по данным GPS и опускание побережья, а также рассчитанное изменение продолжительности суток.
  6. Оценить, что защитило людей и что не сработало, на примере камня-предупреждения о цунами в Анэёси, учений в школах Камаиси, перехлёстнутых волной дамб и атомной электростанции Фукусима Дайити.
  7. Объяснить, как Япония изменила систему предупреждений и мониторинга после 2011 года, и интерпретировать долгосрочную вероятность, например 30-летний прогноз для жёлоба Нанкай.

Перед просмотром

Ключевые понятия ★ дополнительные термины для старших учеников

Тектоническая плита
Большой фрагмент жёсткой внешней оболочки Земли, обычно толщиной около 100 км, который медленно движется по более горячей и мягкой мантии под ним. Япония находится там, где сходятся четыре плиты: Тихоокеанская, плита Филиппинского моря, Северо-Американская и Евразийская.
Субдукция
Процесс, при котором одна плита изгибается и погружается под другую, обратно в мантию. У северо-восточного побережья Японии Тихоокеанская плита погружается под Японию.
Океанический жёлоб
Длинная глубокая впадина на морском дне, где одна плита изгибается вниз под другую. Японский жёлоб, где Тихоокеанская плита начинает своё погружение, имеет глубину около 8 км.
Сцепленный разлом
Участок границы плит, где трение удерживает две плиты вместе, так что их движение накапливается в горной породе в виде упругой деформации, как в заводимой пружине, пока разлом внезапно не сместится во время землетрясения.
Цунами
Серия океанских волн, возникающих, когда большая масса воды внезапно приходит в движение, в данном случае из-за рывком поднявшегося морского дна. Первая волна часто не самая большая.
Магнитуда
Мера величины землетрясения. Каждая целая ступень соответствует примерно в 32 раза большему количеству высвобожденной энергии. Магнитуда землетрясения 2011 года составила 9,0 по оценке Японского метеорологического агентства (Japan Meteorological Agency) и 9,1 по данным Геологической службы США (U.S. Geological Survey).
Отложения цунами
Слой песка, который цунами принесло вглубь суши с пляжа и морского дна и оставило поверх почвы или болотного ила. Морские микрофоссилии в песке показывают, что он пришёл из моря.
Высота заплеска
Высота над уровнем моря самой высокой точки на суше, до которой доходит вода. Она может быть намного больше высоты волны у берега, особенно в вершинах узких бухт с крутыми склонами.
Раннее предупреждение о землетрясениях
Система, которая улавливает первые, более быстрые сейсмические волны вблизи очага уже начавшегося землетрясения и рассылает оповещение до того, как более медленные и сильные толчки дойдут до более удалённых мест. Она даёт от нескольких секунд до примерно минуты, а не часы.
Опускание (проседание) суши
Понижение поверхности земли. В 2011 году полуостров Осика за считаные минуты опустился примерно на 1,2 м, и часть побережья навсегда оказалась ниже и стала более уязвимой для моря.
Камень-предупреждение о цунами
Каменный памятник на побережье Японии, который напоминает о прошлом цунами и предостерегает будущие поколения, как камень в Анэёси: не стройте дома ниже этого места.
Продолжительность суток
Время, за которое Земля совершает один оборот, около 86 400 секунд. Если перенести массу ближе к оси Земли, планета начинает вращаться чуть быстрее, как фигуристка, прижимающая руки к телу.
Мегаподвиговое землетрясение★
Землетрясение на пологом разломе между погружающейся плитой и плитой над ней. Все землетрясения магнитудой 9 и выше, включая землетрясение Тохоку 2011 года, были мегаподвиговыми.
Сейсмический момент★
Физический размер землетрясения: жёсткость породы × площадь сместившегося участка разлома × среднее смещение. Из него рассчитывается моментная магнитуда.
Палеосейсмология★
Изучение землетрясений и цунами, произошедших до появления приборов, по таким свидетельствам, как погребённые слои песка, внезапные изменения уровня суши и датированные остатки растений.
Проектная основа★
Самая крупная опасность, например землетрясение, наводнение или цунами, которую сооружение рассчитано выдержать. На АЭС Фукусима Дайити цунами намного её превысило.

Главы Выберите время, чтобы смотреть с этого места

0:00Момент

В пятницу, 11 марта 2011 года, в 2:46 дня морское дно примерно в 70 км от северо-восточного побережья Японии подалось. Земля тряслась несколько минут, и во многих местах побережья у людей было примерно полчаса до прихода моря.

0:34Четыре плиты

Япония находится там, где сходятся Тихоокеанская плита, плита Филиппинского моря, Северо-Американская и Евразийская плиты. Тихоокеанская плита движется к Японии примерно на 8 см в год и погружается у Японского жёлоба; там, где плиты сцепляются, деформация накапливается, пока разлом не сместится и морское дно рывком не поднимется. Вот почему на Японию приходится примерно каждое пятое сильное землетрясение в мире и в стране более сотни действующих вулканов.

2:00Предупреждения из прошлого

Цунами Дзёган 869 года затопило равнину Сендай и унесло жизни около 1000 человек, а примерно с 1990 года геологи находили его песок, под которым лежали более древние слои, далеко вглубь суши; и всё же официальные прогнозы ожидали землетрясение магнитудой около 8, а не 9. На побережье Санрику цунами 1896 и 1933 годов унесли жизни около 22 000 и 3000 человек, и жители деревни Анэёси высекли предупреждение на камне.

3:192:46 дня

Разрыв начался примерно в 70 км от полуострова Осика на глубине около 30 км, прошёл примерно 400 км вдоль жёлоба, а смещение достигло примерно 50 м. Раннее предупреждение дало Токио около минуты; первое предупреждение о цунами, выпущенное через три минуты после землетрясения, исходило из магнитуды 7,9 и прогнозировало от 3 до 6 м, а затем было повышено до более чем 10 м, когда датчики в море зарегистрировали настоящую волну.

4:38Волна

Почему цунами пересекает глубокий океан со скоростью реактивного самолёта и вздымается у берега. Возле Мияко вода поднялась примерно до 40 м, перехлестнула дамбы, прокатилась через аэропорт Сендай и затопила более 500 км², а Анэёси, построенная выше своего камня, уцелела. На АЭС Фукусима Дайити волна высотой около 14 м затопила площадку, рассчитанную примерно на 6 м, и в трёх реакторах расплавилось топливо; цунами достигло Гавайев примерно за 7 часов, Калифорнии примерно за 10, а Чили примерно за сутки.

6:16Последствия

Более 18 000 человек погибли или пропали без вести, большинство утонули, и около 122 000 зданий были разрушены; Всемирный банк оценил ущерб в сумму до 235 000 000 000 долларов. GPS показал, что полуостров Осика сместился на 5,3 м и опустился на 1,2 м, а расчёт NASA показывает, что сутки стали короче примерно на 1,8 миллионной доли секунды. В Камаиси благодаря многолетним учениям выжили почти все из почти 3000 школьников города.

7:22Что изменила Япония

С 2013 года, если землетрясение слишком сильное, чтобы быстро его измерить, первое предупреждение о цунами сообщает, что цунами будет «огромным», вместо того чтобы угадывать число. Сеть из 150 донных станций, соединённых кабелем, теперь следит за Японским и Курильским желобами, а вдоль побережья тянутся более 400 км новых дамб, некоторые выше 12 м.

7:57Всё ещё в движении

В Японии по-прежнему ощущается около 2000 землетрясений в год. В 2025 году правительство оценило вероятность сильнейшего землетрясения в жёлобе Нанкай в течение 30 лет в 60–90% или больше по одному методу и в 20–50% по другому. Итоги: три вещи, которые нужно запомнить, и урок камня в Анэёси.

Распространённые заблуждения Для учителя

ЗаблуждениеЦунами — это одна гигантская стена воды, которая в открытом море так же высока, как у берега.

Что показывают данныеВ глубоком океане высота цунами может едва достигать метра, хотя оно движется со скоростью около 800 км/ч. Оно растёт только тогда, когда замедляется на мелководье, и приходит в виде серии волн. В 2011 году первые небольшие показания у побережья заставили некоторых людей поверить, что цунами будет слабым, и поэтому Японское метеорологическое агентство (Japan Meteorological Agency) позже изменило то, как оно сообщает о первых наблюдениях.

ЗаблуждениеПервое предупреждение о цунами сообщает, какой высоты будет волна, поэтому, если прогноз ниже местной дамбы, вы в безопасности.

Что показывают данныеПервый прогноз 2011 года, от 3 до 6 м, был основан на оценке магнитуды 7,9, которая была намного ниже реальной, и метеорологическое агентство Японии пришло к выводу, что это могло задержать часть эвакуаций. Безопасная реакция на сильные и долгие толчки на побережье — сразу уходить на возвышенность, какое бы первое число ни прозвучало.

ЗаблуждениеУ учёных не было никакой возможности узнать, что такое большое цунами может обрушиться на это побережье.

Что показывают данныеЦунами Дзёган 869 года было описано в исторических записях Японии, а примерно с 1990 года геологи находили его песок и более древние слои в километрах от берега на равнине Сендай. Свидетельства существовали; и всё же официальные прогнозы ожидали землетрясение магнитудой около 8, потому что инструментальные наблюдения велись недолго, а результаты геологических работ ещё только включались в оценки опасности.

ЗаблуждениеСистема раннего предупреждения предсказывает землетрясения до того, как они произойдут.

Что показывают данныеРаннее предупреждение обнаруживает землетрясение, которое уже началось, и соревнуется в скорости с более медленными и более разрушительными волнами. Вдали от очага оно может дать от нескольких десятков секунд до примерно минуты, как в Токио в 2011 году, но в местах, ближайших к разрыву, сильные толчки могут начаться раньше, чем придёт любое оповещение.

ЗаблуждениеЗемлетрясение 2011 года сбило Землю с её оси и заметно изменило продолжительность суток.

Что показывают данныеПо одному из расчётов NASA сутки стали короче примерно на 1,8 миллионной доли секунды, а ось, относительно которой уравновешена масса Земли, сместилась примерно на 17 см; ось Земли в пространстве не сдвинулась. Изменение было рассчитано, а не ощущено, и оно намного меньше естественных колебаний продолжительности суток, вызываемых ветрами, океанскими течениями и ядром Земли.

Вопросы для обсуждения

  1. Геологи нашли песок цунами Дзёган на равнине Сендай более чем за двадцать лет до 2011 года, и всё же официальные прогнозы ожидали землетрясение магнитудой около 8. Почему новым геологическим данным может понадобиться много времени, чтобы изменить официальные планы? Как обществу следует действовать на основе свидетельств, которые убедительны, но ещё не бесспорны?
  2. В Анэёси камень, высеченный после 1933 года, удержал все дома вне досягаемости цунами 2011 года. В других местах дамбы, построенные против прежних цунами, были перехлёстнуты. Сравните два вида защиты: каковы сильные и слабые стороны правила, хранимого в памяти, и стены, спроектированной инженерами?
  3. Школьники Камаиси годами отрабатывали одно правило: после сильного землетрясения немедленно бегите на возвышенность и никого не ждите. Почему такое простое правило может спасти больше жизней, чем ожидание официального предупреждения? Можете ли вы представить ситуации, в которых следовать ему было бы трудно?
  4. Первое предупреждение о цунами в 2011 году содержало число, которое оказалось намного ниже реального. С 2013 года, если размер землетрясения неясен, первое предупреждение просто сообщает, что цунами будет «огромным». Лучше или хуже предупреждение без числа, чем точный, но, возможно, ошибочный прогноз? Обоснуйте свой ответ.
  5. На АЭС Фукусима Дайити волна высотой около 14 м обрушилась на площадку, рассчитанную примерно на 6 м. Как инженерам и правительствам решать, какую по величине опасность должны выдерживать атомная станция, больница или школа, если крупнейшие события случаются лишь раз в несколько сотен или тысяч лет?
  6. Для жёлоба Нанкай правительство Японии привело две 30-летние вероятности: 60–90% или больше по одному методу и 20–50% по другому. Что означает каждое число для семьи, города и национального правительства? Какое из них вы бы подчеркнули в обращениях к населению и почему?

Тест Выберите ответ — он проверится сам

1.Что происходит там, где Тихоокеанская плита встречается с северной Японией у Японского жёлоба?

2.Почему разлом в зоне субдукции порождает внезапные сильнейшие землетрясения, а не скользит плавно всё время?

3.Какие свидетельства показали, что гигантские цунами обрушивались на равнину Сендай задолго до 2011 года?

4.Через три минуты после землетрясения первое предупреждение о цунами прогнозировало волны от 3 до 6 метров. Почему этот прогноз оказался намного ниже реального?

5.В глубоком океане высота цунами может едва достигать метра, но оно движется со скоростью около 800 км/ч. Что происходит, когда оно доходит до мелководья у побережья?

6.Что привело к катастрофе на атомной электростанции Фукусима Дайити?

7.GPS показал, что полуостров Осика сместился примерно на 5,3 метра в сторону моря и опустился примерно на 1,2 метра. О чём это говорит?

8.Почти все из почти 3000 школьников Камаиси пережили цунами. Что сыграло решающую роль?

9.Что с 2013 года делает первое предупреждение о цунами метеорологического агентства Японии, если землетрясение слишком сильное, чтобы быстро его измерить?

10.В 2025 году правительство Японии оценило вероятность сильнейшего землетрясения в жёлобе Нанкай в течение 30 лет в 60–90% или больше по одному методу и в 20–50% по другому. Какое толкование лучше всего?

Письменный ответ

1. Объясните шаг за шагом, как землетрясение 2011 года породило цунами, которое примерно за полчаса достигло побережья Японии и пересекло весь Тихий океан. Используйте термины субдукция, сцепленный разлом, деформация, поднятие морского дна и мелководье.

Что включает хороший ответ

Тихоокеанская плита сближается с Японией примерно на 8 см в год и погружается у Японского жёлоба. Там, где плиты соприкасаются, разлом сцеплен, поэтому край Японии затягивается вниз и сжимается, и накапливается упругая деформация. В 2011 году деформация преодолела трение: разлом сместился на величину до примерно 50 м на участке длиной около 400 км, сжатый край распрямился, и морское дно рывком поднялось, подняв весь столб воды над ним. Сила тяжести потянула поднятую воду обратно вниз, и во все стороны пошли волны. В глубоком океане они двигались со скоростью около 800 км/ч при высоте едва в метр; на мелководье у побережья они замедлились и выросли, примерно за полчаса достигли ближайших берегов и местами поднялись примерно до 40 м. Через открытый Тихий океан они дошли до Гавайев примерно за 7 часов, а до Чили — примерно за сутки.

2. На примере цунами Дзёган 869 года объясните, как геология может выявить опасность, которую не видят инструментальные наблюдения, и почему землетрясение 2011 года всё равно оказалось сильнее, чем ожидали официальные прогнозы.

Что включает хороший ответ

Сейсмографы записывают землетрясения в Японии всего около века — гораздо меньше, чем промежуток между крупнейшими событиями. Исторические записи Японии описывали, как цунами 869 года затопило равнину Сендай и унесло жизни около 1000 человек. Примерно с 1990 года геологи находили его песок, принесённый с моря, в километрах вглубь суши, а под ним — более древние слои песка; это показывало, что гигантские цунами обрушивались сюда неоднократно, с промежутками в столетия. И всё же официальные прогнозы опирались в основном на лучше изученные недавние землетрясения и ожидали событие магнитудой около 8. Геологи ещё оценивали, насколько сильным было землетрясение Дзёган, и главный вывод их работы — что одновременно может разорваться гораздо более длинный участок разлома — ещё не был учтён в планах защиты от опасности, когда произошло землетрясение магнитудой 9.

3. Сравните три вида защиты, описанные в эпизоде: камень в Анэёси, школьные учения в Камаиси, а также дамбы вместе с АЭС Фукусима Дайити. Что защитило людей, что не сработало и почему?

Что включает хороший ответ

Камень в Анэёси сработал, потому что его правило не зависело от прогноза высоты следующей волны: все дома построили выше него, и волна 2011 года остановилась примерно в 90 м ниже по склону. Учения в Камаиси сработали, потому что простое отработанное правило — сразу бежать на возвышенность и не ждать — не зависело от предупреждений и оценок; выжили около 99,8% учеников города. Дамбы, построенные против прежних цунами, и площадка Фукусима Дайити, рассчитанная на волну около 6 м, не сработали, потому что были спроектированы на фиксированную высоту, которую цунами 2011 года, около 14 м у станции, превысило. Урок в том, что защитные сооружения, рассчитанные по прошлым событиям, могут быть перехлёстнуты, а правила, которые уводят людей из зоны досягаемости, работают при любой высоте волны; лучшие планы используют и то и другое.

Углублённо Вуз и профильные старшие классы

Как быстро цунами пересекает Тихий океан и почему оно растёт?

Длина волны цунами (сотни километров) намного больше глубины океана, поэтому оно ведёт себя как волна на мелкой воде, скорость которой зависит только от глубины d: c = √(g·d), где g = 9,81 м/с². Когда цунами входит в более мелкие воды, сохранение потока энергии заставляет его высоту расти примерно пропорционально 1 ÷ ⁴√d, величине, обратной корню четвёртой степени из глубины (закон Грина), пока волна не обрушится или не затопит сушу.

ЗадачаРассчитайте скорость для типичной глубины 5000 м в м/с и км/ч. Расстояние по дуге большого круга от эпицентра 2011 года до Гонолулу составляет около 5960 км: предскажите время пути и сравните его с примерно семью часами из эпизода. Затем оцените, во сколько раз вырастет волна высотой 1 м над глубиной 4000 м, когда дойдёт до воды глубиной 10 м, и какой будет там её скорость. Почему высота заплеска на суше, около 40 м в 2011 году, может быть ещё намного больше?

Решение

c = √(9,81 × 5000) ≈ 221 м/с ≈ 800 км/ч — это скорость из эпизода. 5960 км ÷ 800 км/ч ≈ 7,5 часа, что близко к наблюдавшемуся приходу примерно через семь часов (реальная волна идёт над реальным дном, местами глубже 5000 м). Рост: ⁴√(4000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5, значит, волна высотой 1 м вырастает примерно до 4,5 м и движется со скоростью √(9,81 × 10) ≈ 10 м/с, то есть около 36 км/ч — быстрее, чем может бежать большинство людей. Высота заплеска — это высота, на которую вода поднимается по суше, а не высота волны в открытом море: на побережье Санрику узкие бухты в форме буквы V направляют поток, а движущаяся вода по инерции взбирается вверх по склону, поэтому заплеск там достиг примерно 40 м.

Магнитуда, энергия и смещение

Излучённая энергия возрастает примерно в 101.5 ≈ 32 раза на каждую целую ступень магнитуды. Моментная магнитуда определяется через сейсмический момент M₀ (в ньютон-метрах) по формуле M₀ = 101.5·Mw + 9.1, а M₀ = μ·A·D, где μ — жёсткость породы, A — площадь сместившегося участка, D — среднее смещение. USGS моделирует разрыв 2011 года длиной около 400 км и шириной 150 км с максимальным смещением от 50 до 60 м.

ЗадачаВо сколько раз больше энергии соответствовала окончательная магнитуда 9,1 (USGS) по сравнению с первой оценкой 7,9? Насколько важна разница между значением 9,0 у JMA и 9,1 у USGS? Используя μ = 4 × 1010 Pa, рассчитайте среднее смещение для Mw 9,0 и Mw 9,1 и сравните его с максимальным смещением.

Решение

101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ в 63 раза больше энергии, чем по первой оценке, — вот почему первый прогноз цунами оказался таким низким. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4: значения двух ведомств различаются по энергии примерно на 40% — немного по сравнению с первой ошибкой. Для Mw 9,0 M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, поэтому D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m; для Mw 9,1 M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m и D ≈ 23 m. Среднее смещение, примерно от 17 до 23 м, меньше половины максимума в 50–60 м, который был сосредоточен вблизи жёлоба, где он сильнее всего поднял морское дно и вызвал самое большое цунами.

Сколько времени может дать раннее предупреждение?

Волны P распространяются в земной коре со скоростью примерно 6–7 км/с, а волны S, которые несут большую часть сильных толчков, — примерно 3,5–4 км/с. Система раннего предупреждения регистрирует волны P на станциях вблизи очага, оценивает землетрясение и рассылает оповещение, которое затем распространяется со скоростью электронной связи. Разрыв 2011 года начался на глубине около 30 км; Токио находится примерно в 376 км от эпицентра, а оконечность полуострова Осика — примерно в 76 км.

ЗадачаПредположим, что оповещение уходит через 30 секунд после начала разрыва. Оцените, сколько времени было у Токио до прихода первых волн S. Затем оцените радиус «слепой зоны» — области, где волны S приходят раньше оповещения, — и определите, находился ли в ней полуостров Осика. Почему самые сильные толчки при сильнейшем землетрясении могут прийти позже, чем показывает этот простой расчёт?

Решение

Время пробега волн S до Токио ≈ 376 км ÷ 3,5–4 км/с ≈ 94–107 с, значит, время на предупреждение составляет около 64–77 с, примерно минуту, как в эпизоде. За 30 с волны S проходят от гипоцентра примерно 105–120 км; при глубине 30 км они выходят на поверхность на расстоянии примерно от √(105² − 30²) ≈ 100 км до √(120² − 30²) ≈ 116 км от эпицентра. Полуостров Осика, примерно в 82 км от гипоцентра, ощутил волны S уже примерно через 20–23 с, раньше такого оповещения. При сильнейшем землетрясении сам разрыв продолжает расти в течение минут и излучает сильные волны с участков разлома, которые разрываются позже и находятся ближе к удалённым городам, поэтому реальное время на предупреждение зависит от всего разрыва, а не только от его начальной точки.

Баланс деформации и повторяемость цунами типа Дзёган

Тихоокеанская плита сближается с северной Японией примерно на 83 мм в год (USGS). Минура и коллеги (2001) нашли на равнине Сендай три слоя песка, оставленных цунами, и оценили, что крупнейшие цунами случались примерно раз в 1000 лет; Саваи и коллеги (2012), используя радиоуглеродные датировки со многих участков, предположили интервалы от 500 до 800 лет. Простой способ превратить период повторяемости T в вероятность — предположить, что события происходят случайно: P = 1 − exp(−t/T) для промежутка в t лет.

ЗадачаСкольким годам сближения плит соответствует смещение 50 м? А среднее смещение около 20 м? Сколько сближения накопилось между 869 и 2011 годами? Затем рассчитайте вероятность цунами типа Дзёган в течение 30 лет и в течение 50 лет для T = 1000 лет и T = 500 лет. Что эти числа говорят о проектировании прибрежных станций или городов в расчёте на событие, которое случается «раз в тысячу лет»?

Решение

50 м ÷ 0,083 м/год ≈ 600 лет; 20 м ÷ 0,083 м/год ≈ 240 лет. С 869 по 2011 год (1142 года) накопилось около 95 м сближения — больше, чем смещение в 2011 году, значит, не всё сближение накапливается в виде деформации на сцепленном участке: часть высвобождается медленным тихим скольжением и многочисленными более слабыми землетрясениями на этой границе плит. Одзава и коллеги (2011) указывают на другую сторону баланса: до 2011 года GPS показывал, что деформация у побережья Тохоку накапливалась гораздо быстрее, чем в среднем высвобождали её прежние землетрясения на границе плит, и это ставило вопрос о том, как эта деформация в итоге высвободится. Вероятности: для T = 1000 лет 1 − exp(−0,03) ≈ 3% за 30 лет и 1 − exp(−0,05) ≈ 5% за 50 лет; для T = 500 лет — около 6% и 10%. Несколько процентов за срок службы электростанции или существования города — это далеко не пренебрежимо мало, когда последствия катастрофичны; поэтому редкие события должны учитываться при проектировании, а не исключаться из него.

Действительно ли землетрясение изменило продолжительность суток?

При отсутствии внешнего момента сил момент импульса Земли L = I·ω сохраняется, где I — момент инерции, а ω — угловая скорость вращения. Если землетрясение немного приближает массу к оси, I уменьшается, ω растёт, и сутки T = 2π/ω становятся короче: ΔT/T = ΔI/I. Ричард Гросс из NASA рассчитал, что землетрясение 2011 года сократило сутки примерно на 1,8 микросекунды. В долгосрочной перспективе приливное трение, вызываемое Луной, удлиняет сутки; измерения по древним затмениям показывают среднее увеличение примерно на 1,8 миллисекунды за столетие (Стивенсон и коллеги, 2016).

ЗадачаРассчитайте относительное изменение момента инерции Земли, соответствующее укорочению суток на 1,8 мкс. За сколько дней долгосрочная тенденция к удлинению суток компенсирует это изменение? Если бы изменение было постоянным, на сколько за год часы, основанные на вращении Земли, ушли бы вперёд относительно атомных часов?

Решение

ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86 400 s ≈ −2,1 × 10−11. Тенденция в 1,8 мс за столетие составляет 1,8 × 10−3 s ÷ 36 525 суток ≈ 4,9 × 10−8 s в сутки за каждые сутки, поэтому она компенсирует изменение примерно за 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 дней. За год: 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. Эффект реален, но крошечен и намного меньше естественных колебаний продолжительности суток, вызываемых ветрами, океанскими течениями и ядром Земли; поэтому его рассчитали, а не измерили.

Соответствие стандартам

Next Generation Science Standards (NGSS, США)

MS-ESS2-2

Построить основанное на фактах объяснение того, как геологические процессы изменяли поверхность Земли в различных временных и пространственных масштабах.

В этом выпуске: Медленное сближение плит примерно на 8 см в год в сравнении с минутами смещения, поднятием морского дна и опусканием побережья.

MS-ESS3-2

Анализировать и интерпретировать данные о природных опасностях, чтобы прогнозировать будущие катастрофические события и направлять разработку технологий для смягчения их последствий.

В этом выпуске: Слои песка, оставленные цунами, и повторяемость, раннее предупреждение, предупреждения о цунами, донные кабели, дамбы и прогноз для жёлоба Нанкай.

HS-ESS2-1

Разработать модель, показывающую, как внутренние и поверхностные процессы Земли действуют в разных пространственных и временных масштабах, формируя структуры континентов и океанского дна.

В этом выпуске: Модель зоны субдукции: жёлоб, сцепленный разлом, накопление деформации и упругая отдача верхней плиты.

HS-ESS3-1

Построить основанное на фактах объяснение того, как доступность природных ресурсов, природные опасности и изменения климата влияли на деятельность человека.

В этом выпуске: Камень в Анэёси, учения в Камаиси, восстановление побережья и новые дамбы, а также выбор площадки и проект АЭС Фукусима Дайити.

HS-PS4-1

Использовать математические представления для обоснования утверждения о связи между частотой, длиной волны и скоростью волн, распространяющихся в различных средах.

В этом выпуске: Скорость цунами c = √(g·d) в воде разной глубины и почему волна замедляется, укорачивается и растёт, подходя к побережью.

Advanced Placement (AP, США)

Университетские курсы

Физическая геология

Границы плит и микроплиты вокруг Японии; зоны субдукции и желоба; сейсмический цикл и упругая отдача

Природные опасности

Мегаподвиговые землетрясения; возникновение, распространение, трансформация на мелководье и заплеск цунами; палеосейсмология и отложения цунами; повторяемость и долгосрочная вероятность; системы предупреждения и эвакуация

Геофизика

Сейсмический момент и моментная магнитуда; насыщение магнитудных шкал; раннее предупреждение о землетрясениях; GPS-геодезия и косейсмическое смещение; землетрясения и вращение Земли

Управление риском бедствий

Проектная основа и редкие события в инженерии; информирование о рисках и формулировки предупреждений; учения в сообществах и память о прошлых бедствиях

Расшифровка Текст диктора на русском, как в субтитрах

0:00Момент

11 марта 2011 года, в пятницу, в 2:46 дня, морское дно в 70 километрах от северо-восточного побережья Японии внезапно подалось.

0:10Земля тряслась несколько минут, и во многих местах на побережье у людей было примерно полчаса до прихода моря.

0:18Это история самого сильного землетрясения, когда-либо измеренного в Японии. Мы разберём, почему оно произошло, почему предупреждениям о нём было уже 1000 лет и что Япония изменила после него.

0:34Четыре плиты

Чтобы понять тот день, нужно начать под землёй, потому что Япония находится там, где сходятся четыре тектонические плиты Земли.

0:41Это Тихоокеанская плита, плита Филиппинского моря, Северо-Американская плита и Евразийская плита. Каждая из них — это пласт горных пород толщиной около 100 километров, медленно дрейфующий по планете.

0:54Ни одна из них никогда не прекращает движения. Тихоокеанская плита медленно движется к Японии со скоростью около 8 сантиметров в год — примерно вдвое быстрее, чем растут ваши ногти.

1:05У северо-восточного побережья Тихоокеанская плита встречается с северной Японией у Японского жёлоба — расщелины в морском дне глубиной около 8 километров.

1:14У жёлоба Тихоокеанская плита изгибается и погружается под Японию, медленно опускаясь в раскалённую мантию.

1:22Однако скользит она не плавно. Там, где две плиты соприкасаются, они сцепляются, и год за годом край Японии затягивается вниз и сжимается, словно пружина, которую закручивают всё туже и туже.

1:34В конце концов напряжение преодолевает трение. За несколько минут разлом проскальзывает, сжатый край плиты распрямляется, и морское дно рывком поднимается, приподнимая всю толщу океана над ним.

1:47Этот процесс объясняет, почему на Японию приходится примерно каждое пятое сильное землетрясение в мире и почему в стране более 100 действующих вулканов.

2:00Предупреждения из прошлого

В Японии есть письменные записи о землетрясениях за более чем 1000 лет, и в одной из них описана ночь 869 года.

2:09В ту ночь сильнейшее землетрясение произошло недалеко от места, где сейчас находится город Сендай, и море хлынуло далеко вглубь суши по прибрежной равнине. Утонули около 1000 человек.

2:19Начиная примерно с 1990 года геологи, проводившие раскопки на той же равнине, нашли «визитную карточку» того цунами. Это был слой морского песка в километрах от берега, а под ним — более древние слои песка, оставленные ещё более ранними гигантскими волнами.

2:35Эти данные показали, что гигантские цунами обрушивались на это побережье снова и снова, с промежутками в столетия. Официальные прогнозы действительно предполагали здесь сильное землетрясение, но ожидали, что его магнитуда составит около 8, а не девять.

2:49Севернее, на изрезанном побережье Санрику, память была свежее. В 1896 году цунами поднялось там на высоту до 38 метров и унесло жизни около 22 000 человек.

3:02В 1933 году другое цунами унесло жизни ещё около 3000 человек. После этого жители маленькой деревни Анэёси высекли на камне предупреждение.

3:12Надпись гласит: не стройте свои дома ниже этого места.

3:192:46 дня

11 марта 2011 года, в 2:46 дня, разлом наконец не выдержал. Разрыв начался примерно в 70 километрах от полуострова Осика, на глубине около 30 километров.

3:32Оттуда он прошёл вдоль жёлоба примерно на 400 километров, и местами две плиты сместились относительно друг друга на целых 50 метров.

3:41Система раннего предупреждения о землетрясениях в Японии выполнила свою главную задачу. Её датчики уловили первые, более быстрые волны, и оповещения были разосланы до прихода самых сильных толчков.

3:53Токио, находящийся примерно в 370 километрах, получил оповещение примерно за минуту, хотя оно сильно недооценило силу тряски там.

4:02Через три минуты после землетрясения метеорологическое агентство Японии объявило предупреждение о цунами наивысшего уровня. Однако первая оценка силы землетрясения оказалась сильно заниженной — магнитуда 7,9, — поэтому и первые прогнозы высоты волн были слишком низкими: от 3 до 6 метров.

4:21Затем датчики в открытом море зафиксировали настоящую волну, и в предупреждениях высоту подняли до более чем 10 метров. Итоговая магнитуда составила 9 по оценке Японии и 9,1 по данным Геологической службы США.

4:38Волна

В открытом океане цунами движется почти так же быстро, как реактивный самолёт, — около 800 километров в час, — хотя его высота может едва достигать метра.

4:50Когда у берега вода становится мельче, волна замедляется, а поскольку вода позади неё продолжает прибывать, ей некуда деваться, кроме как вверх.

4:59Это цунами распространилось во всех направлениях, по всему Тихому океану.

5:04Возле Мияко вода поднялась по склону холма до 40 метров над уровнем моря, а дамбы, построенные против прежних цунами, она просто перехлестнула.

5:14Корабли унесло далеко вглубь суши. Этот паром в Мияко так и остался стоять среди домов.

5:21На равнине Сендай, на той самой земле, что была затоплена в 869 году, море прокатилось через аэропорт Сендай и ушло на километры вглубь суши.

5:30Всего под водой оказалось более 500 квадратных километров территории Японии, а целые рыбацкие городки вдоль побережья были разрушены.

5:39В Анэёси волна остановилась примерно в 90 метрах ниже по склону от старого камня. Все дома деревни были построены выше него, и ни один не пострадал.

5:49На атомной электростанции Фукусима Дайити волна высотой около 14 метров затопила площадку, рассчитанную примерно на шесть метров. Станция лишилась электропитания, в трёх реакторах расплавилось топливо, и это стало самой тяжёлой ядерной аварией со времён Чернобыля.

6:04Тем временем цунами продолжало свой путь. Примерно через семь часов оно достигло Гавайев, а примерно через десять — Калифорнии, разбивая лодки в гаванях, а примерно через сутки после землетрясения дошло до Чили.

6:16Последствия

Более 18 000 человек погибли или пропали без вести, большинство из них утонули, и было разрушено более 120 000 зданий.

6:25Всемирный банк оценил ущерб в сумму до 235 000 000 000 долларов, что на тот момент сделало это бедствие самым дорогостоящим стихийным бедствием за всю историю наблюдений.

6:36Землетрясение изменило даже саму сушу. Полуостров Осика сместился более чем на 5 метров в сторону моря и опустился более чем на метр.

6:46Оно также настолько сместило массу Земли, что, по одному из расчётов НАСА, планета теперь вращается чуть-чуть быстрее. Каждые сутки стали короче примерно на 1,8 микросекунды — слишком мало, чтобы кто-то это заметил.

7:01Есть и истории спасения. В городе Камаиси школьники годами отрабатывали одно простое правило: после сильного землетрясения немедленно бегите на возвышенность и никого не ждите.

7:14Из почти 3000 школьников города выжили почти все.

7:22Что изменила Япония

Япония перестроила систему предупреждений о цунами. Теперь, если землетрясение слишком сильное, чтобы быстро его измерить, первое предупреждение больше не пытается угадать цифру. Оно просто сообщает людям, что цунами будет огромным.

7:35Вдоль Японского и Курильского желобов теперь работают 150 донных станций, которые следят за землетрясениями и цунами; они соединены с сушей кабелем длиной около 5500 километров.

7:47Теперь вдоль побережья тянутся более 400 километров новых дамб, и некоторые из них выше 12 метров.

7:57Всё ещё в движении

Плиты не перестали двигаться. В обычный год в Японии ощущается около 2000 землетрясений — от пяти до шести каждый день. Большинство из них настолько слабые, что их замечают только люди, неподвижно сидящие в помещении, но каждое — признак того, что те же самые плиты всё ещё движутся.

8:13Учёные также следят за ещё одним разломом — жёлобом Нанкай у юго-западного побережья Японии. В 2025 году правительство Японии оценило вероятность сильнейшего землетрясения там в течение 30 лет. По одному методу она составляет от 60 до 90% и более, по другому — от 20 до 50%.

8:32Итак, запомните три вещи. Первое: землетрясение 2011 года произошло из-за того, что Тихоокеанская плита сместилась на целых 50 метров под северную Японию, у Японского жёлоба. Поэтому его магнитуда составила 9 — это самое сильное землетрясение из когда-либо измеренных в Японии. Второе: основной ущерб нанесло цунами — оно поднималось на высоту до 40 метров, и более 18 000 человек погибли или пропали без вести. И третье: предупреждения уже существовали — в наводнении 869 года и в камнях вроде того, что стоит в Анэёси.

9:05Камень в Анэёси стоит до сих пор, и его послание — главный урок всей этой истории. У Земли свой календарь, и она помнит то, что забываем мы. Спасибо, что смотрели Earth Explained. Подписывайтесь, чтобы не пропустить следующую историю, и смотрите на планету в прямом эфире, в любое время, на EarthWatch 24-7.

Источники

  1. U.S. Geological Survey. M 9.1 – 2011 Great Tohoku Earthquake, Japan. Earthquake Hazards Program event page, with tectonic summary. earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/official20110311054624120_30/executiveИспользовано для: Магнитуда 9,1, местоположение и глубина, движение плит на 83 мм в год, размеры разрыва и смещение
  2. Japan Meteorological Agency. (2013). Lessons learned from the tsunami disaster caused by the 2011 Great East Japan Earthquake and improvements in JMA's tsunami warning system. www.data.jma.go.jp/eqev/data/en/tsunami/LessonsLearned_Improvements_brochure.pdfИспользовано для: Первое предупреждение в 14:49 (M7,9, от 3 до 6 м), повышение до более чем 10 м, окончательная магнитуда 9,0 и предупреждения об «огромном» цунами с 2013 года
  3. National Police Agency of Japan. (2021). Police countermeasures and damage situation associated with 2011 Tohoku district – off the Pacific Ocean Earthquake (March 10, 2021). www.npa.go.jp/news/other/earthquake2011/pdf/higaijokyo_e.pdfИспользовано для: Погибшие, пропавшие без вести и разрушенные здания
  4. Ozawa, S., Nishimura, T., Suito, H., Kobayashi, T., Tobita, M., & Imakiire, T. (2011). Coseismic and postseismic slip of the 2011 magnitude-9 Tohoku-Oki earthquake. Nature, 475, 373–376. doi.org/10.1038/nature10227Использовано для: Измерения GPS (GEONET) того, насколько сместилась суша, и смещение по разлому на протяжении около 400 км вдоль жёлоба
  5. The 2011 Tohoku Earthquake Tsunami Joint Survey Group. 現地調査結果 (Field survey results). In Japanese. coastal.jp/ttjt/index.php?%E7%8F%BE%E5%9C%B0%E8%AA%BF%E6%9F%BB%E7%B5%90%E6%9E%9CИспользовано для: Высоты цунами и заплеск около 40 м
  6. Minoura, K., Imamura, F., Sugawara, D., Kono, Y., & Iwashita, T. (2001). The 869 Jōgan tsunami deposit and recurrence interval of large-scale tsunami on the Pacific coast of northeast Japan. Journal of Natural Disaster Science, 23(2), 83–88. www.jsnds.org/jnds/23_2_3.pdfИспользовано для: Цунами Дзёган, его песок примерно в 3–4 км от берега, около 1000 погибших и повторяемость примерно раз в 1000 лет
  7. Sawai, Y., Namegaya, Y., Okamura, Y., Satake, K., & Shishikura, M. (2012). Challenges of anticipating the 2011 Tohoku earthquake and tsunami using coastal geology. Geophysical Research Letters, 39, L21309. doi.org/10.1029/2012GL053692Использовано для: Отложения Дзёган вдоль побережья, их повторяемость и почему эти свидетельства не позволили предвидеть магнитуду 9
  8. Fackler, M. (2011, April 20). Tsunami warnings, written in stone. The New York Times (reprinted by NBC News). www.nbcnews.com/id/wbna42688590Использовано для: Камень в Анэёси и место, где остановилась волна 2011 года
  9. International Atomic Energy Agency. (2015). The Fukushima Daiichi Accident: Report by the Director General. IAEA, Vienna. www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1710-ReportByTheDG-Web.pdfИспользовано для: Волна высотой 14–15 м, проектные допущения станции и потеря электропитания и охлаждения
  10. NASA Jet Propulsion Laboratory. (2011, March 14). Japan quake may have shortened Earth days, moved axis. News release (Richard Gross), as reprinted by Geology.com. geology.com/nasa/japan-earthquakeИспользовано для: Изменение продолжительности суток на 1,8 микросекунды и смещение оси фигуры на 17 см
  11. Stephenson, F. R., Morrison, L. V., & Hohenkerk, C. Y. (2016). Measurement of the Earth's rotation: 720 BC to AD 2015. Proceedings of the Royal Society A, 472, 20160404. doi.org/10.1098/rspa.2016.0404Использовано для: Долгосрочное удлинение суток, примерно на 1,8 мс за столетие
  12. Japan Science and Technology Agency. Educational activities for disaster prevention backed by scientific evidence behind a 'miracle' (Toshitaka Katada, Kamaishi). www.jst.go.jp/EN/achievements/research/toshitaka_katada2016.htmlИспользовано для: Камаиси: выжили 99,8% из примерно 3000 учеников
  13. Cabinet Office, Government of Japan. (2013). 平成25年版 防災白書 (White Paper on Disaster Management 2013), Part 1, Introduction. In Japanese. www.bousai.go.jp/kaigirep/hakusho/h25/honbun/1b_0s_01_00.htmИспользовано для: Около 20% землетрясений в мире магнитудой 6 и выше происходит в районе Японии
  14. Headquarters for Earthquake Research Promotion, Earthquake Research Committee. (2025). 南海トラフの地震活動の長期評価（第二版一部改訂） (Long-term evaluation of the Nankai Trough, second edition, partial revision). In Japanese. jishin.go.jp/evaluation/long_term_evaluation/subduction_fault/summary_nankaiИспользовано для: 30-летние вероятности 60–90% или больше и 20–50%

Изображения в выпуске: USGS, NOAA и NASA (общественное достояние), карты NASA/USGS Landsat через NASA GIBS; анимация EarthWatch 24-7. Полный список: earthwatch247.com/credits.html.

Как цитировать урок

EarthWatch 24-7. (2026). День, когда сдвинулась Япония: Землетрясение Тохоку и цунами 2011 года, начиная с тектонических плит [Видеоурок]. Earth Explained, выпуск 1. https://earthwatch247.com/learn/japan-2011/ru/

Ответы

  1. C. Это субдукция: Тихоокеанская плита, движущаяся к Японии примерно на 8 см в год, изгибается вниз у Японского жёлоба и погружается под Японию.
  2. A. Плиты продолжают сближаться, но сцепленный контакт затягивает и сжимает край Японии, как заводимую пружину. Когда деформация преодолевает трение, разлом смещается и сжатый край распрямляется рывком.
  3. D. Исторические записи Японии описывают цунами 869 года, а геологи, которые вели раскопки примерно с 1990 года, нашли его песок далеко вглубь суши, а под ним — более древние слои песка от ещё более ранних гигантских волн.
  4. B. Быстрый метод определения магнитуды занижает очень сильные землетрясения, поэтому первая оценка составила 7,9 вместо 9,0. Когда датчики в море зарегистрировали настоящую волну, предупреждения повысили до более чем 10 метров.
  5. A. Скорость цунами зависит от глубины воды. Когда передний край замедляется на мелководье, вода позади догоняет его, и ей некуда деваться, кроме как вверх.
  6. C. Наводнение вывело из строя электроснабжение станции, произошло полное обесточивание, поэтому реакторы нельзя было охлаждать. Это стало самой тяжёлой ядерной аварией со времён Чернобыля.
  7. B. Сцепленный разлом затягивал побережье в сторону суши и вниз; когда он сместился, верхняя плита отскочила в сторону жёлоба, а побережье рядом с разрывом опустилось.
  8. D. Правило было простым и отрабатывалось годами: после сильного землетрясения сразу бегите на возвышенность и не ждите. Выжили около 99,8% учеников города.
  9. C. Япония изменила предупреждения, чтобы заниженное первое число больше не могло внушить людям, что они в безопасности. Числа добавляются, когда становится известен размер землетрясения.
  10. A. Вероятность — это не дата и не уверенность. Оба значения высоки для 30-летнего периода, и правительство просит людей и местные власти готовиться, ориентируясь на более высокое значение.

Письменный ответ

  1. Тихоокеанская плита сближается с Японией примерно на 8 см в год и погружается у Японского жёлоба. Там, где плиты соприкасаются, разлом сцеплен, поэтому край Японии затягивается вниз и сжимается, и накапливается упругая деформация. В 2011 году деформация преодолела трение: разлом сместился на величину до примерно 50 м на участке длиной около 400 км, сжатый край распрямился, и морское дно рывком поднялось, подняв весь столб воды над ним. Сила тяжести потянула поднятую воду обратно вниз, и во все стороны пошли волны. В глубоком океане они двигались со скоростью около 800 км/ч при высоте едва в метр; на мелководье у побережья они замедлились и выросли, примерно за полчаса достигли ближайших берегов и местами поднялись примерно до 40 м. Через открытый Тихий океан они дошли до Гавайев примерно за 7 часов, а до Чили — примерно за сутки.
  2. Сейсмографы записывают землетрясения в Японии всего около века — гораздо меньше, чем промежуток между крупнейшими событиями. Исторические записи Японии описывали, как цунами 869 года затопило равнину Сендай и унесло жизни около 1000 человек. Примерно с 1990 года геологи находили его песок, принесённый с моря, в километрах вглубь суши, а под ним — более древние слои песка; это показывало, что гигантские цунами обрушивались сюда неоднократно, с промежутками в столетия. И всё же официальные прогнозы опирались в основном на лучше изученные недавние землетрясения и ожидали событие магнитудой около 8. Геологи ещё оценивали, насколько сильным было землетрясение Дзёган, и главный вывод их работы — что одновременно может разорваться гораздо более длинный участок разлома — ещё не был учтён в планах защиты от опасности, когда произошло землетрясение магнитудой 9.
  3. Камень в Анэёси сработал, потому что его правило не зависело от прогноза высоты следующей волны: все дома построили выше него, и волна 2011 года остановилась примерно в 90 м ниже по склону. Учения в Камаиси сработали, потому что простое отработанное правило — сразу бежать на возвышенность и не ждать — не зависело от предупреждений и оценок; выжили около 99,8% учеников города. Дамбы, построенные против прежних цунами, и площадка Фукусима Дайити, рассчитанная на волну около 6 м, не сработали, потому что были спроектированы на фиксированную высоту, которую цунами 2011 года, около 14 м у станции, превысило. Урок в том, что защитные сооружения, рассчитанные по прошлым событиям, могут быть перехлёстнуты, а правила, которые уводят людей из зоны досягаемости, работают при любой высоте волны; лучшие планы используют и то и другое.

Углублённо

  1. Как быстро цунами пересекает Тихий океан и почему оно растёт?: c = √(9,81 × 5000) ≈ 221 м/с ≈ 800 км/ч — это скорость из эпизода. 5960 км ÷ 800 км/ч ≈ 7,5 часа, что близко к наблюдавшемуся приходу примерно через семь часов (реальная волна идёт над реальным дном, местами глубже 5000 м). Рост: ⁴√(4000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5, значит, волна высотой 1 м вырастает примерно до 4,5 м и движется со скоростью √(9,81 × 10) ≈ 10 м/с, то есть около 36 км/ч — быстрее, чем может бежать большинство людей. Высота заплеска — это высота, на которую вода поднимается по суше, а не высота волны в открытом море: на побережье Санрику узкие бухты в форме буквы V направляют поток, а движущаяся вода по инерции взбирается вверх по склону, поэтому заплеск там достиг примерно 40 м.
  2. Магнитуда, энергия и смещение: 101.5 × 1.2 = 101.8 ≈ в 63 раза больше энергии, чем по первой оценке, — вот почему первый прогноз цунами оказался таким низким. 101.5 × 0.1 = 100.15 ≈ 1,4: значения двух ведомств различаются по энергии примерно на 40% — немного по сравнению с первой ошибкой. Для Mw 9,0 M₀ = 1022.6 ≈ 4,0 × 1022 N·m, поэтому D = 4,0 × 1022 ÷ (4 × 1010 × 4 × 105 m × 1,5 × 105 m) ≈ 17 m; для Mw 9,1 M₀ ≈ 5,6 × 1022 N·m и D ≈ 23 m. Среднее смещение, примерно от 17 до 23 м, меньше половины максимума в 50–60 м, который был сосредоточен вблизи жёлоба, где он сильнее всего поднял морское дно и вызвал самое большое цунами.
  3. Сколько времени может дать раннее предупреждение?: Время пробега волн S до Токио ≈ 376 км ÷ 3,5–4 км/с ≈ 94–107 с, значит, время на предупреждение составляет около 64–77 с, примерно минуту, как в эпизоде. За 30 с волны S проходят от гипоцентра примерно 105–120 км; при глубине 30 км они выходят на поверхность на расстоянии примерно от √(105² − 30²) ≈ 100 км до √(120² − 30²) ≈ 116 км от эпицентра. Полуостров Осика, примерно в 82 км от гипоцентра, ощутил волны S уже примерно через 20–23 с, раньше такого оповещения. При сильнейшем землетрясении сам разрыв продолжает расти в течение минут и излучает сильные волны с участков разлома, которые разрываются позже и находятся ближе к удалённым городам, поэтому реальное время на предупреждение зависит от всего разрыва, а не только от его начальной точки.
  4. Баланс деформации и повторяемость цунами типа Дзёган: 50 м ÷ 0,083 м/год ≈ 600 лет; 20 м ÷ 0,083 м/год ≈ 240 лет. С 869 по 2011 год (1142 года) накопилось около 95 м сближения — больше, чем смещение в 2011 году, значит, не всё сближение накапливается в виде деформации на сцепленном участке: часть высвобождается медленным тихим скольжением и многочисленными более слабыми землетрясениями на этой границе плит. Одзава и коллеги (2011) указывают на другую сторону баланса: до 2011 года GPS показывал, что деформация у побережья Тохоку накапливалась гораздо быстрее, чем в среднем высвобождали её прежние землетрясения на границе плит, и это ставило вопрос о том, как эта деформация в итоге высвободится. Вероятности: для T = 1000 лет 1 − exp(−0,03) ≈ 3% за 30 лет и 1 − exp(−0,05) ≈ 5% за 50 лет; для T = 500 лет — около 6% и 10%. Несколько процентов за срок службы электростанции или существования города — это далеко не пренебрежимо мало, когда последствия катастрофичны; поэтому редкие события должны учитываться при проектировании, а не исключаться из него.
  5. Действительно ли землетрясение изменило продолжительность суток?: ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10−6 s ÷ 86 400 s ≈ −2,1 × 10−11. Тенденция в 1,8 мс за столетие составляет 1,8 × 10−3 s ÷ 36 525 суток ≈ 4,9 × 10−8 s в сутки за каждые сутки, поэтому она компенсирует изменение примерно за 1,8 × 10−6 ÷ 4,9 × 10−8 ≈ 37 дней. За год: 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. Эффект реален, но крошечен и намного меньше естественных колебаний продолжительности суток, вызываемых ветрами, океанскими течениями и ядром Земли; поэтому его рассчитали, а не измерили.