Мощное землетрясение магнитудой 8,8, произошедшее вблизи полуострова Камчатка в России, вызвало в конце июля цунами по Тихому океану. Спутник, специально разработанный для измерения высоты поверхности океана, впервые полностью «отследил» эту огромную волну из космоса с высоким разрешением.
В недавнем исследовании, опубликованном в «The Seismic Record», указывается, что спутник «Топография поверхностных вод и океана» (SWOT), совместно разработанный Соединенными Штатами и Францией, зафиксировал первый след космического наблюдения с высоким разрешением большого цунами, вызванного этим землетрясением в зоне субдукции. Оно показало гораздо более сложную волновую структуру, чем ожидалось, и энергия продолжала распространяться и рассеиваться по огромной поверхности океана. Исследователи полагают, что этот результат, как ожидается, поможет людям получить более глубокое понимание механизма распространения цунами, тем самым улучшив оценку потенциального воздействия на прибрежные районы.
Исследование завершили исследователь Исландского университета Анхель Руис-Ангуло и другие. Они совместно проанализировали данные о высоте морской поверхности, полученные с помощью спутника SWOT и записей наблюдений буев DART (Deep Sea Tsunami Assessment and Reporting), расположенных вдоль пути распространения цунами. Результаты не только выявили необычайно сложные детали формы волны цунами, но и предоставили новые ограничения для реконструкции процесса разрушения этого землетрясения магнитудой 8,8 в зоне субдукции Камчатско-Курильской дуги. Это землетрясение произошло 29 июля и стало шестым по величине землетрясением, зарегистрированным в мире с 1900 года.
Руис-Ангуло описал данные SWOT как предоставление исследователям «новой пары очков». Раньше для получения информации о цунами научно-исследовательское сообщество в основном полагалось на буи DART, разбросанные по Тихому океану, которые могли «отбирать» и записывать сигналы цунами только в ограниченных точках на обширной территории океана. Хотя другие спутники также могут наблюдать изменения высоты морской поверхности, в идеальных условиях они могут «замести» лишь тонкую линию цунами. Напротив, SWOT может собирать данные о полосе обзора морской поверхности шириной до 120 километров за один проход и характеризовать колебания высоты морской поверхности с беспрецедентно высоким пространственным разрешением.
Спутник SWOT будет запущен в декабре 2022 года и разработан совместно НАСА и Национальным центром космических исследований Франции (CNES). Его основная задача — провести первое высокоточное картографирование поверхностных водных объектов и поверхности океана по всему миру. Руис-Ангуло сказал, что он и соавтор Чарли де Марес ранее использовали данные SWOT для изучения мелкомасштабных водоворотов и других структур в океане в течение более двух лет и изначально не ожидали, что у них будет возможность «натолкнуться» на большое цунами.
Это наблюдение также заставило научно-исследовательское сообщество переосмыслить характеристики распространения крупных цунами. В течение долгого времени господствовало мнение, что гигантские цунами с длинами волн, намного превышающими среднюю глубину океана, представляют собой «недисперсионные волны», и во время распространения через океан должны доминировать общие формы волн, а энергию нелегко разделить на несколько групп волн. Однако данные об этом событии, полученные SWOT, ясно показали существование эффекта дисперсии: энергия цунами в процессе распространения разложилась на множество групп различных волновых компонентов и показала значительную пространственную дисперсию и структурную модуляцию.
Исследовательская группа сравнила результаты численного моделирования поведения дисперсии с фактическими измерениями со спутников и буев и обнаружила, что согласованность между этим типом «модели дисперсии» и реальными наблюдениями значительно лучше, чем упрощенные модели, использующие традиционные предположения. Руис-Ангуло отметил, что это означает, что в широко используемых в настоящее время численных моделях цунами «чего-то не хватает» с точки зрения физических механизмов, особенно внутренней структуры и перераспределения энергии крупномасштабных групп волн цунами, которые все еще недостаточны. Он также предположил, что эта дополнительная энергия рассеяния может привести к модуляции «спутствующей волны» до и после гребня основной волны цунами, тем самым влияя на локальную высоту волны и последовательность прибытия при приближении к определенным побережьям. Эти потенциальные последствия необходимо оценить количественно и включить в будущие системы прогнозирования.
В этом исследовании команда также сравнила наблюдения SWOT и DART с предыдущими прогнозами цунами, основанными на данных об источнике землетрясения и деформации поверхности. Они обнаружили, что на некоторых объектах глубоководного мониторинга традиционно прогнозируемое время прихода цунами не соответствовало фактическим измерениям DART: на одном месте время прибытия, заданное моделью, было слишком ранним, а на другом — слишком поздно. Чтобы разрешить это противоречие, исследователи использовали так называемый метод «инверсии», чтобы переоценить характеристики разрыва источника, используя в качестве ограничений фактические измерения буев. Результаты показали, что зона разрыва этого землетрясения магнитудой 8,8 простиралась южнее, чем предсказывалось предыдущими моделями, с общей длиной около 400 километров, что значительно больше, чем ранее оцененные 300 километров.
Диего Мельгар, соавтор статьи, отметил, что после землетрясения магнитудой 9,0 у побережья Тохоку, Япония, в 2011 году, сейсмологическое сообщество постепенно осознало, что данные наблюдений за цунами имеют большое значение для ограничения распространения сдвигов неглубоких разломов. В последние годы исследователи пытались объединить данные о цунами, такие как DART, с традиционными сейсмическими волнами и измерениями деформации поверхности. Однако в реальных операциях этот тип связи данных из нескольких источников еще не полностью нормализовался. Одна из важных причин заключается в том, что существуют серьезные различия в физических и вычислительных основах между моделью гидродинамики, моделирующей цунами, и моделью твердой земли, которая моделирует распространение сейсмических волн. Он подчеркнул, что это исследование еще раз показывает, что объединение более широкого спектра наблюдений имеет решающее значение для понимания характеристик источников землетрясений и поведения цунами.
Район Камчатско-Курильской островной дуги – всемирно известная зона, подверженная сильным землетрясениям и цунами. Еще в 1952 году сильное землетрясение магнитудой 9,0 в этом регионе вызвало цунами в Тихом океане и непосредственно способствовало созданию международной системы предупреждения о цунами. Эта система также сыграла ключевую роль в раннем предупреждении и выдаче предупреждений об этом событии в 2025 году.
Исследователи заявили, что по мере того, как данные спутниковых наблюдений, подобные SWOT, продолжают накапливаться, ожидается, что в будущем они будут играть более важную роль в прогнозировании цунами в реальном или квазиреальном времени. Руис-Ангуло сказал, что если такие результаты удастся повторить в более реальных событиях в будущем, это поможет доказать лицам, принимающим решения, и спонсорам, что инвестиции в специализированные возможности спутникового наблюдения имеют долгосрочную ценность для улучшения глобального мониторинга цунами и уровней раннего предупреждения.