Ngày Nhật Bản dịch chuyển

Đáp án

1. C. Đây là sự hút chìm: mảng Thái Bình Dương, di chuyển về phía Nhật Bản với tốc độ khoảng 8 cm mỗi năm, uốn cong xuống tại rãnh Nhật Bản và chìm xuống bên dưới Nhật Bản.
2. A. Các mảng tiếp tục hội tụ, nhưng vùng tiếp xúc bị khóa kéo và ép rìa của Nhật Bản như một chiếc lò xo đang được lên dây. Khi sức căng thắng được lực ma sát, đứt gãy trượt và phần rìa bị ép bật trở lại.
3. D. Các ghi chép lịch sử của Nhật Bản mô tả trận sóng thần năm 869, và các nhà địa chất đào bới từ khoảng năm 1990 đã tìm thấy lớp cát của nó sâu trong đất liền, bên dưới còn có những lớp cát cũ hơn do những con sóng khổng lồ còn sớm hơn để lại.
4. B. Phương pháp tính nhanh độ lớn đánh giá thấp những trận động đất rất lớn, nên ước tính đầu tiên là 7,9 thay vì 9,0. Khi các cảm biến ngoài biển phát hiện ra con sóng thật, cảnh báo được nâng lên hơn 10 mét.
5. A. Tốc độ của sóng thần phụ thuộc vào độ sâu của nước. Khi phần đầu sóng chậm lại ở vùng nước nông, nước phía sau đuổi kịp và không còn đường nào khác ngoài dâng lên.
6. C. Nước lũ làm nhà máy mất toàn bộ nguồn điện, tức là mất điện toàn trạm, nên các lò phản ứng không thể được làm mát. Đây trở thành tai nạn hạt nhân tồi tệ nhất kể từ Chernobyl.
7. B. Đứt gãy bị khóa đã kéo bờ biển về phía đất liền và xuống dưới; khi nó trượt, mảng phía trên bật ngược về phía rãnh, và bờ biển gần vùng đứt vỡ bị lún xuống.
8. D. Quy tắc rất đơn giản và đã được luyện tập trong nhiều năm: sau một trận động đất lớn, hãy chạy ngay lên chỗ cao và đừng chờ đợi. Khoảng 99,8% học sinh của thành phố đã sống sót.
9. C. Nhật Bản đã thay đổi cách cảnh báo để một con số đầu tiên bị đánh giá thấp không còn có thể khiến mọi người nghĩ rằng mình an toàn. Các con số sẽ được bổ sung khi đã biết kích thước của trận động đất.
10. A. Xác suất không phải là một ngày cụ thể hay một điều chắc chắn. Cả hai giá trị đều cao đối với một khoảng thời gian 30 năm, và chính phủ đề nghị người dân và chính quyền địa phương chuẩn bị với giá trị cao hơn trong đầu.

Câu hỏi tự luận

1. Mảng Thái Bình Dương hội tụ với Nhật Bản với tốc độ khoảng 8 cm mỗi năm và hút chìm tại rãnh Nhật Bản. Nơi các mảng tiếp xúc, đứt gãy bị khóa, nên rìa của Nhật Bản bị kéo xuống và bị ép, và sức căng đàn hồi tích tụ. Năm 2011, sức căng thắng được lực ma sát: đứt gãy trượt tới khoảng 50 m trên một vùng dài khoảng 400 km, phần rìa bị ép bật trở lại, và đáy biển chồm lên, nâng toàn bộ cột nước phía trên. Trọng lực kéo khối nước bị nâng lên đó xuống trở lại, khiến sóng lan ra mọi hướng. Ở đại dương sâu, sóng di chuyển với tốc độ khoảng 800 km/giờ trong khi chỉ cao chừng một mét; ở vùng nước nông gần bờ, sóng chậm lại và cao lên, đến những bờ biển gần đó trong khoảng nửa giờ và có nơi dâng cao khoảng 40 m. Băng qua Thái Bình Dương rộng lớn, sóng đến Hawaii sau khoảng 7 giờ và đến Chile sau khoảng một ngày.
2. Địa chấn kế mới ghi lại động đất ở Nhật Bản trong khoảng một thế kỷ, ngắn hơn nhiều so với khoảng cách giữa những trận lớn nhất. Các ghi chép lịch sử của Nhật Bản mô tả trận sóng thần năm 869 làm ngập đồng bằng Sendai và khiến khoảng 1.000 người chết đuối. Từ khoảng năm 1990, các nhà địa chất đã tìm thấy lớp cát của nó, được mang vào từ biển, cách bờ nhiều kilômét trong đất liền, với những lớp cát cũ hơn nằm bên dưới, cho thấy những trận sóng thần khổng lồ đã ập đến nhiều lần, cách nhau hàng thế kỷ. Thế nhưng các dự báo chính thức chủ yếu dựa trên những trận động đất gần đây được biết rõ hơn, và dự kiến một sự kiện có độ lớn khoảng 8. Các nghiên cứu địa chất khi đó vẫn đang ước tính trận động đất Jōgan lớn đến mức nào, và bài học đầy đủ của nó, rằng một đoạn lớn hơn nhiều của đứt gãy có thể vỡ cùng một lúc, vẫn chưa được đưa vào các kế hoạch phòng chống hiểm họa khi trận động đất độ lớn 9 xảy ra.
3. Tảng đá Aneyoshi có hiệu quả vì quy tắc của nó không phụ thuộc vào việc dự đoán kích thước của con sóng tiếp theo: mọi ngôi nhà đều được xây phía trên nó, và con sóng năm 2011 dừng lại cách nó khoảng 90 m về phía chân dốc. Các buổi diễn tập ở Kamaishi có hiệu quả vì một quy tắc đơn giản, được luyện tập kỹ, là chạy ngay lên chỗ cao và đừng chờ đợi, không phụ thuộc vào cảnh báo hay ước tính; khoảng 99,8% học sinh của thành phố đã sống sót. Những bức tường chắn sóng xây cho các trận sóng thần trước đó, và khu vực nhà máy Fukushima Daiichi được thiết kế cho con sóng khoảng 6 m, đã thất bại vì chúng được thiết kế theo một độ cao cố định mà trận sóng thần năm 2011, cao khoảng 14 m tại nhà máy, đã vượt qua. Bài học là những công trình phòng thủ được thiết kế theo các sự kiện trong quá khứ có thể bị tràn qua, trong khi những quy tắc đưa con người ra khỏi tầm với của nước có hiệu quả bất kể con sóng lớn đến đâu; những kế hoạch tốt nhất sử dụng cả hai.

Tìm hiểu sâu hơn

1. Sóng thần vượt qua Thái Bình Dương nhanh đến mức nào, và vì sao nó cao lên?: c = √(9,81 × 5.000) ≈ 221 m/s ≈ 800 km/h, đúng tốc độ trong tập phim. 5.960 km ÷ 800 km/h ≈ 7,5 giờ, gần với thời gian đến được quan sát là khoảng bảy giờ (con sóng thật đi theo đáy biển thực tế, có những đoạn sâu hơn 5.000 m). Mức tăng độ cao: ⁴√(4.000 ÷ 10) = ⁴√400 ≈ 4,5, nên con sóng cao 1 m trở thành cao khoảng 4,5 m, di chuyển với tốc độ √(9,81 × 10) ≈ 10 m/s, tức khoảng 36 km/h, nhanh hơn tốc độ chạy của hầu hết mọi người. Độ cao sóng leo là độ cao mà nước leo lên trên đất liền, không phải độ cao của sóng ngoài khơi: trên bờ biển Sanriku, những vịnh hẹp hình chữ V dồn dòng nước lại và khối nước đang chuyển động mang theo động lượng lên dốc, nên độ cao sóng leo ở đó đạt khoảng 40 m.
2. Độ lớn, năng lượng và độ trượt: 10^{1.5 × 1.2} = 10^1.8 ≈ 63 lần năng lượng so với ước tính đầu tiên, đó là lý do dự báo sóng thần đầu tiên thấp như vậy. 10^{1.5 × 0.1} = 10^0.15 ≈ 1,4: giá trị của hai cơ quan chênh lệch khoảng 40% về năng lượng, nhỏ so với sai số đầu tiên. Với Mw 9,0, M₀ = 10^22.6 ≈ 4,0 × 10²² N·m, nên D = 4,0 × 10²² ÷ (4 × 10¹⁰ × 4 × 10⁵ m × 1,5 × 10⁵ m) ≈ 17 m; với Mw 9,1, M₀ ≈ 5,6 × 10²² N·m và D ≈ 23 m. Độ trượt trung bình khoảng 17 đến 23 m chưa bằng một nửa giá trị cực đại 50 đến 60 m, vốn tập trung gần rãnh, nơi nó nâng đáy biển lên nhiều nhất và tạo ra trận sóng thần lớn nhất.
3. Cảnh báo sớm có thể cho bao nhiêu thời gian?: Thời gian sóng S đến Tokyo ≈ 376 km ÷ 3,5 đến 4 km/s ≈ 94 đến 107 s, nên thời gian cảnh báo khoảng 64 đến 77 s, tức khoảng một phút, như trong tập phim. Trong 30 s, sóng S đi được khoảng 105 đến 120 km từ chấn tiêu; ở độ sâu 30 km, nghĩa là chúng lên tới mặt đất trong phạm vi từ √(105² − 30²) ≈ 100 km đến √(120² − 30²) ≈ 116 km tính từ tâm chấn. Bán đảo Oshika, cách chấn tiêu khoảng 82 km, cảm nhận được sóng S chỉ sau khoảng 20 đến 23 s, trước khi một cảnh báo như vậy đến. Trong một trận động đất lớn, bản thân vết đứt vỡ tiếp tục lan rộng trong nhiều phút và phát ra sóng mạnh từ những phần của đứt gãy vỡ muộn hơn và nằm gần các thành phố xa hơn, nên thời gian cảnh báo thực tế phụ thuộc vào toàn bộ vết đứt vỡ, chứ không chỉ vào điểm khởi đầu của nó.
4. Cán cân sức căng và chu kỳ lặp lại của sóng thần kiểu Jōgan: 50 m ÷ 0,083 m/năm ≈ 600 năm; 20 m ÷ 0,083 m/năm ≈ 240 năm. Từ năm 869 đến năm 2011 (1.142 năm), khoảng 95 m hội tụ đã tích tụ, nhiều hơn độ trượt năm 2011, nên không phải toàn bộ sự hội tụ đều được tích trữ thành sức căng trên vùng bị khóa: một phần được giải phóng qua sự trượt chậm, lặng lẽ và qua nhiều trận động đất nhỏ hơn trên ranh giới mảng này. Ozawa và các đồng nghiệp (2011) nêu ra mặt còn lại của cán cân: trước năm 2011, GPS cho thấy sức căng ngoài khơi Tōhoku tích tụ nhanh hơn nhiều so với mức mà các trận động đất trước đó trên ranh giới mảng đã giải phóng tính trung bình, điều này đặt ra câu hỏi rằng sức căng đó cuối cùng sẽ được giải phóng như thế nào. Xác suất: với T = 1.000 năm, 1 − exp(−0,03) ≈ 3% trong 30 năm và 1 − exp(−0,05) ≈ 5% trong 50 năm; với T = 500 năm, khoảng 6% và 10%. Vài phần trăm trong suốt vòng đời của một nhà máy điện hay một thị trấn hoàn toàn không phải là không đáng kể khi hậu quả là thảm khốc, đó là lý do các sự kiện hiếm gặp cần được đưa vào thiết kế, chứ không bị bỏ ra ngoài.
5. Trận động đất có thật sự làm thay đổi độ dài ngày không?: ΔI/I = ΔT/T = −1,8 × 10⁻⁶ s ÷ 86.400 s ≈ −2,1 × 10⁻¹¹. Xu hướng 1,8 ms mỗi thế kỷ tương đương 1,8 × 10⁻³ s ÷ 36.525 ngày ≈ 4,9 × 10⁻⁸ s, tức là mỗi ngày độ dài ngày tăng thêm chừng ấy, nên nó sẽ bù lại sự thay đổi trong khoảng 1,8 × 10⁻⁶ ÷ 4,9 × 10⁻⁸ ≈ 37 ngày. Trong một năm, 365 × 1,8 µs ≈ 0,66 ms. Hiệu ứng này có thật nhưng rất nhỏ, nhỏ hơn nhiều so với những dao động tự nhiên của độ dài ngày do gió, dòng hải lưu và lõi Trái Đất gây ra, đó là lý do nó được tính toán chứ không phải đo đạc.