Tsunami's in begrijpelijke taal: verwoestingen aan de kust (deel 2)
Dit betreft deel 2 van mijn serie over tsunami's in begrijpelijke taal. Deel 1 ging over de oorsprong en het ontstaan van tsunami's in de diepzee of in diepe waterbassins. Deel 2 zoomt nader in op de verwoestende krachten die worden ontketent zodra tsunami's de kustlijn bereiken.
I. Wanneer een tsunami de kust nadert
Als de diepte van een waterkolom richting de kust gestaag afneemt, zal alle eerder op die waterkolom overgebrachte energie zich concentreren in de minder diepe waterkolom. Hierdoor zal per saldo de amplitude of golfhoogte van de tsunami toenemen. Een klein gedeelte van de kinetische energie van de tsunami wordt in dat geval omgezet in potentiële energie van de golfhoogte. Hetgeen zich manifesteert doordat de snelheid van het voorliggende golfdeel door de oplopende zeebodem wordt afgeremd en het achterliggende golfdeel hierdoor vervolgens inloopt op het voorliggende golfdeel. Deze inkorting van de golf zorgt per saldo voor een verhoging van de golfamplitude. Dit fenomeen staat bekend als 'shoaling'. Zie de afbeelding hieronder.
Wanneer de golf daadwerkelijk de kustlijn bereikt, zal het wegvallen van de tegendruk van het water de potentiële energie van de sterk verhoogde golf weer terug omzetten in kinetische energie. Belangrijk hierbij is om aan te tekenen dat de golf niet breekt en dus zijn energie geenszins verspilt in de branding, zoals windgegenereerde golven dat wel doen. Dit komt omdat de golfhoogte relatief laag blijft ten opzichte van zijn golflengte. De steilheid van de golf is hierdoor te gering om te breken. In tegenstelling tot windgegenereerde golven die hierdoor al hun energie in de branding verliezen.
Hierdoor blijft het achterliggende zeewater zich vervolgens gedurende een halve diepzeegolflengte van vaak honderden kilometers lang opdringen aan de kust. Dit kan zomaar 10 tot 30 minuten aanhouden, voordat het water zich aanvankelijk weer terugtrekt voor het volgende golfdal.
II. Bij een verdubbeling van de waterdiepte slaat een tsunami 4 maal zo krachtig toe
Een tsunami die in dubbel zo diep water ontstaat, kan in beginsel 4 maal zo krachtig toeslaan bij een vergelijkbare bodembeweging. Dit hangt samen met het feit dat een tsunami bij uitstek een impulsfenomeen betreft. De arbeid [W = F x s] die de zeebodem verricht op de waterkolom wordt vervolgens overgebracht op een verdubbelde massa. Hierdoor ontstaat er vanwege de traagheid van de waterkolom een 2 maal zo grote dynamische druk onder een 2 maal zo grote statische druk.
Voorwaarde voor de dynamische druk aanname is uiteraard dat een opgaande of neergaande bodembeweging of aanvankelijke waterverplaatsing sneller of qua ordegrootte ongeveer even snel plaatsvindt als de verplaatsing van de gepaard gaande drukgolf. De arbeidsvergelijking hierboven komt in dat geval naadloos overeen met de kinetische vergelijking hieronder!
Een en ander vertaalt zich erin dat de snelheid V in dieper water D toeneemt met de diepte volgens V = Wortel (9,81 x D), dus per saldo met een factor Wortel 2 = 1,41. De kinetische energie van een massa M wordt bepaald door 1/2 x M x V x V, dit betekent dus per saldo dat een 2 maal zo grote diepte en navenante watermassa 1/2 x 2M x 1,41V x 1,41V = 4 maal zo veel kinetische energie vertegenwoordigt.
III. Verwoestende kenmerken van de tsunami-vloedberg
Met de tsunami-vloedberg raken we direkt aan het verwoestende karakter van een tsunami. Het is namelijk meestal niet de hoogte van de aan land komende golven of de op bepaalde diepzee-eilanden ongetemperde snelheid van de aan land komende golven die de meeste verwoestingen met zich meebrengt.
Het is in de meeste gevallen de gestage 10 tot 30 minuten aanhoudende tsunami-vloedberg van een halve diepzeegolflengte van vaak honderden kilometers lang die de meeste verwoestingen aanricht. Deze waterstroom, die voorzien van puin en objecten alles op zijn pad vernielt, vormt de ware horror van een tsunami.
Hollywood spiegelt ons graag torenhoge vloedgolven voor die complete kustgebieden overvallen en vernielen. In de praktijk verdwijnen dergelijke hoge golven echter al snel na het bereiken van de daadwerkelijke kustlijn, omdat de tegendruk van het water hier verdwijnt. De verwoestende hoogte van de golven - de inslagkracht van een zgn. muur van water - speelt zich daarom hoofdzakelijk af in de brandingszone aan de direkte kustlijn. Datgene wat echter minstens zo gevaarlijk is, is de tientallen minuten lange onstuitbare vloedberg van water die vervolgens het binnenland instroomt.
IV. Verwoestende kenmerken van het tsunami-waterdal
Volgend op een tsunami-vloedberg volgt onherroepelijk de terugtrekkende beweging van het water als gevolg van het tsunami-waterdal dat eveneens ongeveer 10 tot 30 minuten aanhoudt. Vaak richt deze terugtrekkende beweging zelfs nog meer schade aan dan de oorspronkelijke vloed, omdat de dichtheid van het water inmiddels enorm is toegenomen door meegevoerd puin en meegevoerde objecten.
Bovendien heeft het terugtrekkende water veel meer de neiging om de weg van de minste weerstand en daardoor zgn. 'natuurlijke' stroomkanalen op te zoeken. Met als gevolg dat de stroomsnelheid plaatselijk veel hoger kan uitvallen dan gedurende de aanvankelijke opwaartse stroom. Dit kan in combinatie met de opgelopen waterdichtheid door puin en objecten en inmiddels verzwakte bouwkundige structuren voor veel gebouwen de genadeklap betekenen.
V. Als gevolg van refractie komt een tsunami doorgaans loodrecht op de kust af
Als gevolg van refractie (breking) door de oceaanbodem draait een tsunami zich qua beweging meestal loodrecht richting de kust. Dit komt doordat het golffront van een tsunami zich in de richting van de oplopende oceaanbodem draait als gevolg van het feit dat zijn golfsnelheid in ondieper water geringer is dan in dieper water. Dus ongeacht zijn ontstaansrichting komt een tsunami meestal loodrecht op de kust af. Tenzij de kust een bijzondere geologie heeft, waarbij de oplopende zeebodem van plaats tot plaats langs de kust sterk verschilt, zoals wordt beschreven in paragraaf IX.
VI. Waarom de eerste golf lang niet altijd de heftigste is
De oscillatie van de waterkolom aan de bron van de waterverplaatsing zorgt voor een opeenvolging van langzaam in kracht afnemende tsunamigolven. Hierdoor kunnen er meerdere substantiële golven ontstaan. Andere oorzaken van het ontstaan van additionele golven zijn reflecties tegen en refracties rondom eilanden, onderzeese bergruggen en verder weg gelegen kusten die kunnen zorgen voor echo's van de oorspronkelijke golven.
Niet zelden wordt verondersteld dat de eerste tsunamigolf die de kustlijn bereikt de heftigste zal zijn. Deze misvatting komt voort uit de veronderstelling dat de aanvankelijke uitwaartse golf de meeste energie bevat. Hoewel deze veronderstelling op zichzelf juist is, worden hieronder verschillende mechanismen (zie paragrafen VII, VIII en IX) beschreven waardoor een tweede, derde of zelfs een vierde golf een stuk heftiger kan uitvallen dan de voorgaande. De interferentie van golven vormt hierbij de gemene deler.
Tenslotte kunnen eerder weggespoelde obstakels en de inmiddels maximale waterverzadiging van het land - nadat eerdere golven het land deels obstakelvrij en doornat hebben gemaakt - ervoor zorgen dat opeenvolgende golven met veel minder weerstand en dus dieper het land in kunnen doordringen.
VII. Onvoorspelbare versterking of verzwakking: edge waves
Een belangrijke oorzaak van onvoorspelbare versterking of verzwakking van opeenvolgende tsunamigolven zijn de zgn. 'edge waves'. Dit zijn tsunamigolven die gevangen zitten op het continentale plat tussen de kust en de diepzee. Vanwege herhaaldelijke reflectie op de kust en refractie op de ondiepe rand van de diepzee keren deze golven telkens weer om en bewegen in halve cirkels zigzaggend steeds opnieuw langs en naar de kust. Deze 'edge waves' kunnen gemakkelijk dagenlang gevangen blijven op het continentale plat. Zie de afbeelding hieronder.
Deze 'edge waves' kunnen aanvankelijk tot een onvoorspelbare versterking of verzwakking van opeenvolgende tsunamigolven leiden vanwege interferentie. Vervolgens kunnen ze nog dagenlang tot gevaarlijke versterkingen van lokale golfbewegingen en stromingen aan de kust leiden.
VIII. Onvoorspelbare versterking of verzwakking: baaien en inhammen
Natuurlijke inwaartse krommingen van een kustlijn (baaien) kunnen tot onvoorspelbare versterking of verzwakking van opeenvolgende tsunamigolven leiden als gevolg van interferentie. Als de natuurlijke schommeling in een baai namelijk samenvalt met de frequentie of halffrequentie van de tsunamigolven dan kan de energie bij elke volgende golf worden versterkt of verzwakt. Min of meer vergelijkbaar met het al dan niet synergetisch klotsen van water in een beroerde badkuip.
De frequentie van de tsunamigolven wordt aanvankelijk bepaald door de waterdiepte aan de bron. De snelheid en golflengte van een tsunami hangen immers af van de waterdiepte. Toevoeging van additionele golven op grond van de reflectie tegen en de refractie rondom grootschalige onderzeese obstakels kan in dit opzicht echter ook een rol spelen.
Flessenhalzen aan de kustlijn (inhammen) leiden daarentegen meestal per definitie tot substantiële versterking binnen één en dezelfde tsunamigolf als gevolg van de interferentie van de verschillende samenkomende delen van één golf.
IX. Onvoorspelbare versterking of verzwakking: hoogteverschillen als een refractieve lens
In specifieke gevallen kunnen de geografie en het reliëf van een onderzeese bergrug of een onderzeese trog de energie van een tsunami bundelen of daarentegen juist spreiden, omdat ze kunnen werken als een refractieve lens.
Een onderzeese bergrug vertraagt in dat geval het bovenliggende deel van het golffront en buigt de 'relatieve uiteinden' naar binnen als een convergente lens. Hiermee wordt de kracht van de tsunami gebundeld naar een kleiner kustgebied met mogelijk desastreuze gevolgen.
Een onderzeese trog versnelt het bovenliggende deel van het golffront en buigt de 'relatieve uiteinden' juist naar buiten als een divergente lens. Hiermee wordt de kracht van de tsunami daarentegen juist verspreid over een groter kustgebied.
Versterking of verzwakking door 'hoogteverschillen als een refractieve lens' valt in beginsel voor opeenvolgende tsunamigolven eender uit. Onvoorspelbare versterking of verzwakking van opeenvolgende tsunamigolven door 'refractieve lensing' kan daarom alleen ontstaan in combinatie met additionele golven (echo's) of 'edge waves' die vanuit andere richtingen komen.
X. De intensiteit van tsunamigolven valt ontzettend moeilijk te voorspellen
Samengevat houden de bijzondere karakteristieken van tsunami's concreet in dat de intensiteit van opeenvolgende tsunamigolven die aan land komen enorm lastig valt te detecteren en te voorspellen op grond van de magnitude van een zeebeving of een waterverplaatsing alleen:
- Aan de ene kant kan er moeilijk te detecteren richtingsafhankelijke versterking of verzwakking van tsunamigegenereerde golven plaatsvinden aan de bron van de waterverplaatsing. Dit manifesteert zich met name als de aanvankelijke horizontale waterverplaatsing ongeveer gelijke tred houdt met de zich uitgaand verplaatsende tsunamigolven in een bepaalde richting.
- Aan de andere kant kan er nauwelijks te voorspellen versterking of verzwakking van tsunamigegenereerde golven plaatsvinden tussen de bron en de kust. De geografie en het reliëf van de tussenliggende zeebodem en van de kust kunnen namelijk leiden tot allerhande vormen van reflecties, refracties en interferenties van tsunamigolven.
Aan sensoren om tsunami's beter te detecteren en te voorspellen wordt overigens hard gewerkt. Gewichtssensoren op de zeebodem (DART-netwerk) bestaan al en sensoren die de akoestische geluidsgolf van de initiële waterverplaatsing meten, zijn in ontwikkeling. Dit neemt echter niet weg dat reflecties, refracties en interferenties dichterbij de kustlijn behoorlijk onvoorspelbaar blijven.
XI. Tenslotte
Kun jij - nadat je het ontstaan en het arriveren van een tsunami goeddeels hebt geïnternaliseerd door het (- herhaaldelijk! -) lezen van zowel deel 1 als deel 2 - de beweging van een ingebeelde tsunami al bijna voelen? Kijk dan nog eens naar onderstaande X-post van 2 minuten, welke je gerust als een klassieke weergave van een tsunami kunt beschouwen. Het betreft de 2011 tsunami in een riviermonding van Miyako Bay te Japan.
Jij zult een tsunami inmiddels misschien met andere ogen aanschouwen....behalve met afschuw wellicht ook met enig ontzag voor dit bizar krachtige en behoorlijk onvoorspelbare natuurfenomeen!
Deel dit bericht
Loading
