Tsunami's in begrijpelijke taal: oorsprong en ontstaan in de diepzee (deel 1)
Het is vrij lastig om coherente en gedetailleerde informatie over de zgn. 'inner workings' van tsunami's op het internet te vinden. De meeste informatie reikt namelijk niet veel verder dan populair-wetenschappelijke samenvattingen zonder al te veel diepgang.
Een serie van twee artikelen
Daarom presenteer ik bij deze een serie van twee artikelen over tsunami's. Deel 1 gaat hoofdzakelijk in op de oorsprong en het ontstaan van tsunami's in de diepzee of in diepe waterbassins. Niet op een vluchtige of populair-wetenschappelijke manier, maar vanuit een mechanistische invalshoek die oorzaak en gevolg nadrukkelijk verbindt. Het vervolg in deel 2 zoomt nader in op de verwoestende krachten die worden ontketent zodra tsunami's de kustlijn bereiken.
I. Tsunami's
Een snelle opgaande of neergaande beweging van de zeebodem over een groot oppervlak vormt de meest voorkomende oorzaak van tsunami's. Het begrip is een samenstelling van het Japanse 'tsu' (haven) en 'nami' (golf). Het verwijst in essentie naar de ervaring van vissers die terugkeerden van volle zee en daarbij werden verrast door de volledige verwoesting van hun dorp door een tsunami. Een tsunami die ze op volle zee volstrekt niet hadden opgemerkt, vanwege het feit dat een tsunami op volle zee golven genereert met golfhoogten van doorgaans minder dan 1 meter en golflengten tot honderden kilometers lang.
Hieronder een filmpje 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.
II. Effectieve energie-inhoud van tsunamigolven versus windgolven
Tsunami's verschillen op twee heel specifieke manieren van door wind gegenereerde golven. De effectieve energie-inhoud van windgegenereerde golven doet derhalve op twee punten sterk onder voor die van tsunami's:
- De oorzaak van een tsunami legt de volledige waterkolom van zeebodem tot wateroppervlakte een zijwaartse golfbeweging op. Windgolven beroeren daarentegen hooguit de bovenste 50 tot 100 meter van de waterkolom. Dit heeft vanzelfsprekend een enorme weerslag op de totale energie-inhoud. Als gevolg van diezelfde beweging van de volledige waterkolom kan de golflengte van tsunamigolven zich uitstrekken over tientallen tot honderden kilometers.
- Die substantieel langere golflengten leiden tot een sterk verhoogde efficiency met betrekking tot de over te brengen energie. Enerzijds verliezen langere golflengten minder energie gedurende hun reis over de oceaan. Anderzijds verspillen windgegenereerde en brekende golven hun cumulatieve energie keer op keer in de branding (zie paragraaf I, deel 2). Daarom slaagt een tsunami erin - op grond van golflengten tot honderden kilometers - zijn energie veel verder de kuststrook op te brengen.
Behalve dat de totale energie-inhoud van tsunamigolven die van windgolven nadrukkelijk overstijgt, verhoogt de veel langere golflengte de efficiency van de over te brengen energie op de kuststrook.
III. Verticale oorsprong van tsunamigegenereerde golven
Een 'snelle' (definitie: zie derde alinea onder VI) opgaande of neergaande beweging van de zeebodem over een groot oppervlak zorgt voor een drukgolf in het bovenliggende zeewater. Deze drukgolf verplaatst zich over de gehele waterkolom naar de oppervlakte, vanwege het feit dat water in essentie niet-comprimeerbaar is. Hierdoor wordt de drukgolf dus verticaal naar de oppervlakte doorgegeven. Aan de oppervlakte manifesteert zich dit aanvankelijk als een bult of kuil aan het wateroppervlak, welke in grote lijnen de contouren en hoogte van de opgaande of neergaande beweging van de zeebodem volgt.
Als gevolg hiervan ontstaat er een verticale drukgradiënt die zich vertaalt naar een horizontale drukgradiënt. Deze drukgradiënt legt de volledige waterkolom vervolgens een zijwaartse beweging op, omdat het water vanwege zijn onsamendrukbaarheid nergens anders heen kan dan naar opzij. De golfenergie van de volledige waterkolom beweegt zich daarom horizontaal uitwaarts vanuit het epicentrum van de verheven of verzonken zeebodem. Een tsunami gedraagt zich hierdoor uitdrukkelijk als een oppervlakte-zwaartekrachtgolf.
IV. Het oscillerende golfkarakter van een tsunami
Vanwege het per definitie oscillerende golfkarakter ontstaat er ter plaatse van de aanvankelijk verstoorde waterkolom een oscillerende beweging. Als gevolg van de traagheid van de watermassa schiet de inzakkende bult of opvullende kuil door de nullijn en genereert op deze manier meerdere zwaartekrachtgolven.
De aanvankelijk op de waterkolom overgebrachte energie wordt op deze wijze uitgesmeerd over meerdere na verloop van tijd langzaam uitdempende golven. Daarom moet je bij een tsunami die aan land komt altijd meerdere golven verwachten over een periode van meerdere uren. De energie-inhoud van de eerste golf of golven is het grootst en neemt vervolgens in intensiteit af.
Vanwege reflecties, refracties en interferenties tussen de oorsprong en de kust hoeft het bovenstaande overigens niet te betekenen dat de eerste golf of golven ook het krachtigst is/zijn aan de kust. Meer daarover in deel 2 van deze serie over de verwoestende krachten aan de kust.
V. Subductie van tektonische platen als belangrijkste oorzaak
De hoofdoorzaak van een 'snelle' (definitie: zie derde alinea onder VI) opgaande of neergaande beweging van de zeebodem vormt de subductie van tektonische aardplaten. Gedurende een zeebeving op een dergelijk grensvlak van tektonische aardplaten kan de vrijgegeven spanning in de bovenliggende aardplaat ervoor zorgen dat een gedeelte van die aardplaat omhoog beweegt, terwijl een ander gedeelte van diezelfde aardplaat omlaag beweegt. Hierdoor kan er een tsunami ontstaan die in de ene richting begint met een golfberg, terwijl die in de andere richting begint met een golfdal. Uitslagen van de zeebodem tot 10 meter over enorme oppervlakten zijn hierbij zeker geen uitzondering. Zie de afbeelding hieronder.
Er bestaat daarom 50 procent kans dat een tsunami zich aan de kust aankondigt door een zich aanvankelijk terugtrekkende zee als gevolg van het arriveren van het golfdal eerst. Dit hangt er namelijk vanaf of er qua dichtstbijzijnde bodembeweging sprake was van een opgaande of een neergaande beweging. Subductiezones dicht bij een continentale kust resulteren vanwege hun oriëntatie doorgaans in het arriveren van het golfdal eerst aan de desbetreffende continentale kust.
Tenslotte kunnen ook gewone breuken in de aardkorst onder invloed van een zeebeving enigszins omhoog of omlaag bewegen en daarmee een tsunami triggeren. De kans op een tsunami is wereldwijd het grootst langs de kusten rondom de Stille Oceaan. De Stille Oceaan wordt namelijk aan vrijwel alle randen begrensd door subductiezones. Dit wordt daarom ook wel de 'Ring of Fire' genoemd.
VI. Horizontale oorsprong van tsunamigegenereerde golven
Vanwege het feit dat een tsunami verticale waterbeweging koppelt aan horizontale waterbeweging kan omgekeerd elke horizontale waterverplaatsing van voldoende magnitude eveneens een tsunami opwekken. Te denken valt hierbij met name aan onderwater aardverschuivingen, bovengrondse aardverschuivingen die uitmonden in voldoende diep water, onderwater verschuivingen van horizontale breuken met voldoende reliëf, onderwater vulkaanuitbarstingen of meteorietinslagen in oceanen of meren. Vanzelfsprekend kunnen dergelijke gebeurtenissen aanvankelijk eveneens verticale waterverplaatsingen genereren.
Elke 'snelle' aanvankelijke waterverplaatsing met voldoende magnitude kan dus tsunamigegenereerde golven opwekken. Indien het desbetreffende waterbekken diep genoeg is, beperkt zich dit niet slechts tot zeeën of oceanen, maar kan dit evengoed plaatsvinden in diepe meren.
'Snel' betekent in dit opzicht dat de aanvankelijke waterverplaatsing sneller of qua ordegrootte ongeveer even snel is als de verplaatsing van potentiële tsunamigolven of de dynamische drukgolf. Als de snelheid van de aanvankelijke waterverplaatsing meer dan een ordegrootte kleiner is dan de verplaatsing van potentiële tsunamigolven dan neemt de waarschijnlijkheid op tsunamigolven daarentegen sterk af.
VII. Richtingsafhankelijke versterking of verzwakking
Indien de aanvankelijke horizontale waterverplaatsing ongeveer gelijke tred houdt - qua tijdsafhankelijke ordegrootte - met zich uitgaand verplaatsende tsunamigolven in een bepaalde richting dan ontstaat er bovendien een bijzondere situatie. In dat geval wordt de tsunami in die bepaalde richting extra versterkt ten koste van de energie in de tegenovergestelde richting.
Met name van tsunami's die ontstaan uit eerder genoemde deels horizontale oorsprongen kan een dergelijk richtingsafhankelijk gedrag worden verwacht. Aardverschuivingen vallen gezien hun relatieve traagheid al gauw binnen dit tijdsafhankelijke venster. Echter, ook verticale bodembewegingen die sterk tijdsafhankelijk langs een breuklijn of subductiezone bewegen, kunnen zulk richtingsafhankelijk gedrag vertonen.
Het betekent in de praktijk dat dit voorspellingen van de potentiële kracht van verwachte tsunamigolven aan de hand van alleen de magnitude van een zeebeving of waterverplaatsing sterk compliceert. Voorspellingen kunnen bij een richtingsafhankelijke waterverplaatsing sterk verschillen van de lokale werkelijkheid.
In dergelijke gevallen ontstaat er misschien geen tsunami waar men die wel verwacht en een veel sterkere tsunami waar men aanvankelijk een veel zwakkere verwacht. Richtingsafhankelijke versterking of verzwakking kan dus grote consequenties hebben voor de accuraatheid van tsunamivoorspellingen.
VIII. Verwoestende gevolgen in deel 2
De richtingsafhankelijke versterking van een waterverplaatsing is erg moeilijk 'real-time' vast te stellen als er geen uitgebreid meetnetwerk voorhanden is. Meer hierover in de laatste alinea van paragraaf X van deel 2.
Deel dit bericht
Loading
