Za tokratni potres s cunamijem sem izvedel z nekajdnevno zamudo – občasno se mi pripeti, da malce pozabim na medije. Ko so mi prijatelji povedali, kaj se je zgodilo, sem se takoj vprašal, kako je mogoče, da vodni val, ki ga na odprtem morju bojda niti ne opaziš, povzroči takšno razdejanje. Ker sem pred leti gledal nek film, sem vedel le, da se cunami giblje zelo hitro. Kakšni valovi so to pravzaprav? Moram priznati, da sem zaradi velike hitrosti širjenja sprva pomislil na zvočne valove, zaradi česar me je kot fizika morda malo sram. Začetno radovednost sem potešil ob ogledu nekaj spletnih strani, ko sem postal bolj zahteven, pa sem odprl še knjigo, ki obravnava mehaniko tekočin.

Cunami je navaden gravitacijski vodni val, kot ga poznamo z obale, le da ima zelo veliko valovno dolžino, ki lahko znaša vse do 500 km. Amplituda na odprtem morju je majhna, tokrat je bila okrog 0.5 m, kar so izmerili s sateliti, ki so bili v času potresa nad Indijskim oceanom. Če smo na ladji, daleč od obale, cunamija sploh ne opazimo, saj je videti kot hitrejša bibavica. Pri valovni dolžini 200 km je njegova časovna perioda dobrih 15 minut. Podobnost z bibavico je le navidezna, saj plima očitno ne povzroči razdejanja. Ker je motnja, ki povzroča bibavico, počasna in postopna v primerjavi s hitrostjo širjenja valovanja, je pri bibavici morska gladina ves čas skoraj v ravnovesju – ni valovanja, le ravnovesno stanje (višina vode) se počasi spreminja. Pri podmorskem potresu pa gre za nenadno in skokovito motnjo, ki vzbudi valovanje. Koristna je primerjava z vedrom vode in kamnom, ki ga spustimo vanj, tako da je na koncu gladina vode višje. Če kamen spuščamo zelo počasi, ni nobenega valovanja, le gladina se počasi dviga do končne višine. Drugače je, če ga kar spustimo in s tem sprožimo valovanje.

cunami 2Pri gravitacijskem vodnem valu na globoki vodi, to je taki, ki je mnogo globlja od valovne dolžine valovanja, površinski deli vode krožijo v navpični ravnini, ki vsebuje smer potovanja valovanja. Ko gremo v globino, to gibanje zamira, in sicer imajo krožnice, po katerih se gibljejo deli vode, z naraščajočo oddaljenostjo od gladine vse manjše polmere. Gibanje vode seže nekako do globine, ki je primerljiva z valovno dolžino valovanja, pod njo pa voda miruje. Očitno je valovna dolžina cunamija mnogo večja od globine oceana, zato smo pri cunamiju v režimu gravitacijskega valovanja na plitvi vodi. Zanj je značilno, da od zgoraj omenjenega kroženja delov vode ostane praktično le horizontalna komponenta hitrosti (zelo sploščena elipsa), ki je po vsej globini enaka, pri čemer lahko zanemarimo tanko mejno plast ob dnu, v kateri hitrost vode zaradi viskoznosti pade na nič. Opravka imamo torej z obilico kinetične energije, saj se voda giblje po vsej globini oceana, povsem drugače kot pri valovih s kratko valovno dolžino, kakršnih smo vajeni s poletnih počitnic, ki segajo le nekaj metrov v globino. Hitrost širjenja valovanja na plitvi vodi je koren iz produkta gravitacijskega pospeška in globine, kar v 4 km globokem oceanu pomeni okrog 700 km/h! Opozoriti velja, da je to hitrost širjenja valovanja in ne hitrost gibanja vode. Hitrost vode pri amplitudi 0.5 m v 4 km globokem oceanu znaša le okrog 2.5 cm/s! To je malo tudi v primerjavi s plimskimi tokovi, katerih hitrosti so že v Jadranu okrog 10 cm/s.

Ker je valovna dolžina cunamija tako velika, valovanje praktično ne izgublja energije. Disipacija zaradi viskoznosti, ki je tukaj glavni vir izgubljanja mehanske energije, se namreč veča s krajevnimi odvodi hitrosti delov vode, ti pa so obratno sorazmerni z valovno dolžino. Zato cunami praktično vso energijo, ki mu jo podeli potres, ponese prek velikih razdalj. Cunami pravtako nima znatne disperzije, kot imenujemo odvisnost hitrosti širjenja valovanja od valovne dolžine, ki bi raztegnila in zgladila ob nenadnem potresu nastali valovni sunek in tako zmanjšala njegovo energijsko gostoto. Če pride do močnega potresa na kopnem, ga v razdalji 100 km komaj še čutimo. Pri podmorskih potresih pa cunamiji uničujejo obale, ki so nekaj 1000 km oddaljene od epicentra. Znan je pacifiški cunami po potresu pred obalo Čila leta 1960, ki je vzel več kot sto življenj celo na Japonskem! Razloga za to nenavadno razliko med kopenskimi in podmorskimi potresi sta dva: pri seizmičnih valovih je disipacija večja, pomembno pa je še, da se ti širijo v prostor, torej tudi v notranjost Zemlje, medtem ko se cunami širi le v dve dimenziji. Že brez upoštevanja disipacije tako energijska gostota seizmičnih valov pada obratno sorazmerno s kvadratom oddaljenosti od središča potresa (v resnici je stvar mnogo bolj zapletena), energijska gostota cunamija pa le obratno sorazmerno z oddaljenostjo, kar je velika razlika.

Ko se val približuje obali, kjer je globina vse manjša, njegova amplituda narašča. Energijska gostota cunamija se namreč približno ohranja, masa vode, ki se giblje, pa je zaradi plitvejšega morja vse manjša. Presežna energija se naloži v dvigovanje gladine in v hitrejše gibanje vode proti obali (spomimo se, da je hitrost vode na odprtem morju le nekaj cm/s). Hkrati se hitrost valovanja na vse plitvejši vodi zmanjšuje, s tem pa se v smeri proti obali zmanjšuje tudi energijski tok, ki ga nosi valovanje – produkt gostote energije in hitrosti valovanja. Z drugimi besedami, več energije priteče, kot je uspe odteči proti obali. Zaradi tega se še dodatno poveča gostota energije, kar spet pomeni večanje amplitude vala in hitrejše gibanje vode proti obali. Pojav je povsem enak kot pri običajnih valovih, na katerih surfajo, le da je energija neprimerno večja in da cunami zaradi večje valovne dolžine obalo začuti mnogo prej. Navadni valovi, četudi so lahko po višini povsem primerljivi s cunamiji, zaradi valovne dolžine nekaj deset ali sto metrov niso preveč nevarni, saj pridejo in grejo in ne sežejo daleč v notranjost. Cunami pa kopno dobesedno poplavi (spomnimo se, da je valovna dolžina 100 km ali več).

Kakršnokoli je že precej zapleteno dogajanje ob obali, pomembno je, da se praktično vsa energija, ki jo je potres podelil vodi, sprosti ob obalah. Cunami pač predstavlja žal zelo učinkovit mehanizem, ki to energijo prenese prek velikih razdalj. Še to: najbolj ranljive so obale, pri katerih se dno počasi dviga. Angleške pečine, recimo, so bistveno bolj varne – na njih bi se cunami preprosto odbil.

Nekaj povezav: