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LABORATORIO CIENTÍFICO INFANTIL
Tsunami. Laboratorio de ciencias para niños
Directorio / Laboratorio de ciencias para niños "Tsunami" - una gran ola en el puerto. Traducción del japonés. El desastre comenzó a las tres de la mañana con una fuerte sacudida. Duró solo unos segundos... Después de 15 minutos, se escuchó un fuerte ruido proveniente del mar. Parecía que el mar se precipitaba a tierra. Desde el costado del asador, donde se ubicaban los edificios del área de las focas, se escuchó un terrible crujido y rugido ... Al amanecer, el asador parecía completamente limpio, solo en un lugar se veía una especie de montón sin forma ... Del diario de P. Novograblenov, el primer observador soviético de eventos sísmicos en Kamchatka, 1923. Mucho antes del comienzo Lejos de la costa del Pacífico, en Leningrado, en el edificio del Instituto Hidrológico Estatal, los científicos construyeron un nuevo Ust-Kamchatsk. Por supuesto, era solo una maqueta de la ciudad, pero a gran escala. Parte de la bahía de Kamchatka, la desembocadura del río Kamchatka, los edificios de la ciudad se recrean en cada detalle: un área completa de más de 4000 km2 se encuentra en un pequeño laboratorio. La costa, el fondo marino de la maqueta son de hormigón, y la tierra con todos los detalles del terreno es de plastilina. Los científicos rociaron densamente toda la costa con aserrín. Los cables eléctricos se bajaron al agua. Para colmo, una cámara de cine sonó en algún lugar bajo el techo. ¿Qué es esto? ¿No es un juego? Entonces, ¿por qué si no, bajo la acción del aire comprimido, como el fuelle de un enorme acordeón, el fondo se hunde o sube y las olas se elevan en la bahía de juguete de Kamchatka? Los científicos decidieron repetir la catástrofe que ocurrió en. 1923. Entonces un terremoto, que ocurrió lejos en el mar, dio lugar a una gran ola, y salpicó en la orilla y destruyó la ciudad. Kamchatka, las islas Kuriles y Japonesas, Sakhalin, Alaska: incluso a partir de una simple enumeración, se puede ver que los tsunamis aparecen con mayor frecuencia en el Océano Pacífico. En las aguas del océano más grande, decenas de volcanes se despiertan cada año, se producen fuertes terremotos y, con mayor frecuencia, bajo el fondo del océano, donde la corteza terrestre es mucho más delgada. Si fuera posible exponer el fondo del Océano Pacífico, entonces se podrían contar nueve grandes zonas en las que constantemente ocurren fallas o hinchamientos de la corteza terrestre. Cerca de Japón, el fondo del océano es quizás el más inquieto. Tiene muchas fallas de cientos de kilómetros de largo. A lo largo de estas "heridas" que ahora sanan, ahora vuelven a abrir, los bloques de la corteza terrestre están constantemente cambiando o moviéndose aparte. La mayoría de las fallas están a lo largo de la costa. Pero también hay fallas transversales. Y donde se cruzan las fallas longitudinales y transversales de la corteza terrestre, se producen temblores especialmente fuertes. A partir de ahí, se deben esperar los tsunamis más altos. Aquí y en el modelo, cientos de veces, los científicos organizaron incursiones de tsunami en las costas de plastilina. Los sensores eléctricos determinaron las fluctuaciones en el nivel del "mar". El límite de aserrín que no se lavó de la costa indicó dónde podría subir la ola, y la filmación registró la velocidad de las corrientes superficiales. Todo esto junto ayudó a restaurar con certeza la imagen de la catástrofe descrita por Novograblenov. Y no solo para restaurar, sino también para sacar conclusiones importantes: los edificios industriales y residenciales de una ciudad en expansión deben construirse en aquellos lugares donde la ola más alta no puede subir. Las recomendaciones de los científicos hidrólogos ahora se están siguiendo exactamente. Pero no todos los terremotos provocan un tsunami. Solo cuando una sección del lecho marino, una especie de pistón gigante, sube o baja la columna de agua de varios kilómetros sobre él, aparecen olas en la superficie del océano. Este fenómeno se puede comparar con lo que sucede si se levanta o baja bruscamente un tapón del fondo de una bañera llena de agua. Por un momento, la sección inferior parece desaparecer. La columna de agua que descansa sobre ella "falla", y se forma un agujero en la superficie. En el océano, la altura de un agujero de este tipo puede alcanzar varios cientos de metros, y la altura de la columna de agua puede ser de varios kilómetros. Esta descarga gigante de una columna líquida es el futuro del tsunami. Durante un terremoto, un bloque de la corteza terrestre también puede golpear hacia arriba. Entonces el fondo del océano se hincha. La columna de agua se eleva por encima de la superficie circundante, lo que también genera una ola alta. La altura de tales ondas directamente sobre las fuentes del terremoto alcanza varios cientos de metros. Pero ya a unos cientos de kilómetros del epicentro, su suave cresta rara vez supera una altura de 2 m, por lo que los barcos en alta mar no se ven amenazados por un encuentro con una ola alta. Otra cosa es cuando el barco se mete en una tormenta. Las olas de viento de diez metros lo arrojan como un chip. Y esto es lo que es notable. Fluctuaciones de las ondas de viento en la capa superficial del océano. A más de 30 m de profundidad hay una zona estancada. Allí, en palabras del famoso oceanólogo Zh. I. Cousteau, hay un mundo real de silencio. Pero el tsunami realmente hace honor a su nombre de ola alta. Una joroba de dos metros es solo su parte superior, mientras que la base de la ola descansa en el fondo del océano. Por cierto, notamos: el peso de tal ola es más de cien millones de toneladas. Y si considera que no se detiene, sino que literalmente vuela a través del océano a la velocidad de un avión de pasajeros, entonces su energía es enorme. Los cálculos han demostrado que para obtener un tsunami artificial de potencia media, ¡necesita hacer estallar una bomba gruesa que pesa mil millones de toneladas en el fondo del océano! Si en el mar abierto una gran ola es absolutamente inofensiva, entonces, a medida que se acerca a la orilla, su temperamento cambia. Debido a la fricción de las partículas de agua sobre la rugosidad del fondo, la velocidad de movimiento del fondo de la ola se reduce significativamente. Cerca de la orilla, crece en altura, toma una forma irregular y vuelca su cresta en forma de media luna hacia adelante. P. Novograblenov midió la altura del tsunami que destruyó Ust-Kamchatsk. ¡El muro de agua se elevó desde el mar más alto que un edificio de ocho pisos! La altura de un tsunami también depende en gran medida de la configuración de la costa. Si estamos en la orilla de una bahía con una entrada estrecha, no tenemos nada que temer. La ola gastará una parte significativa de su energía para superar el paso estrecho. Un asunto completamente diferente es una bahía abierta en forma de cuña. Aquí, a medida que la ola se mueve hacia la parte superior de la cuña, se acorta en longitud, pero aumenta en altura. Por esta razón, las desembocaduras de los ríos, los estrechos alargados son los lugares más peligrosos. La humanidad no puede luchar activamente contra el formidable fenómeno natural de la naturaleza. Hasta ahora, tenemos que pensar más en la defensa que en la lucha. Después de todo, es imposible oponerse a la fuerza de un tsunami con la propia fuerza o confiar en la fuerza de las estructuras de protección costera. Incluso la presa más perfecta y fuerte es poco probable que resista la embestida de cientos de millones de metros cúbicos de agua. Por eso, a la hora de construir cualquier estructura en la orilla, en el laboratorio se crea una copia completa a gran escala. Con tal modelado, se imita fácilmente una ola destructiva y se estudian sus llegadas a tierra. Pero los científicos están interesados en el modelo no solo de una sección separada, sino extendida, de la zona costera. Ahora, si pudieras crear un modelo preciso del Océano Pacífico con todas las islas, costas de Asia y América. Y tal modelo no es una fantasía. Por supuesto, no puede estar hecho de hormigón y plastilina. Todas las dimensiones geométricas de los continentes, el frente de la ola, su velocidad y energía, las profundidades del océano en diferentes puntos y mucho más se pueden ingresar en la memoria de una computadora de alta velocidad. Y la computadora decidirá dónde esperar la ola más alta, a qué hora. Este trabajo ya se ha realizado para el tsunami que cubrió el puerto japonés de Niigata en 964 en el Instituto Hidrometeorológico de Leningrado y en la Universidad de Stanford (EE.UU.). Los resultados de los cálculos sobre modelos matemáticos se compararon en el reciente simposio sobre tsunamis en Honolulu. Los modelos matemáticos soviéticos y estadounidenses casi coincidieron. Este es solo un caso especial de cooperación activa entre los dos países. Desde hace más de veinte años funciona una extensa red de estaciones costeras interconectadas en las costas del Pacífico de la URSS, Japón y EE.UU. Los científicos intercambian información constantemente, buscando formas más efectivas de detectar una ola grande para avisar a la población de las zonas costeras del peligro inminente lo más rápido posible. Por tercer año consecutivo, el barco soviético "Valeryan Uryvaev" ha estado realizando viajes a través de los mares del Lejano Oriente, desde donde se están instalando nuevos instrumentos científicos soviéticos en el océano. El estudio del formidable fenómeno natural de la naturaleza continúa y, como podéis ver, en varias direcciones. Frente a ti hay una sección del océano. Se instalan dispositivos sensibles en la costa, en las islas, estaciones de boyas de superficie y submarinas. Algunos realizan observaciones de la actividad sísmica de la corteza terrestre y determinan el epicentro de un terremoto por la velocidad de propagación de las vibraciones elásticas. Los sensores de las fluctuaciones del nivel del océano separan las olas de los tsunamis de las del viento y los maremotos, y establecen la aparición de las primeras grandes olas. Los telémetros láser de los satélites no solo fijan el epicentro, la expansión o el buzamiento del nivel del océano en el momento del terremoto, sino que también determinan la dirección y la velocidad del tsunami. Se supone que una red tan amplia de instrumentos de grabación se instalará en los puntos más propensos a tsunamis del Océano Pacífico.
¡Cuidado, peligro! El Instituto Hidrometeorológico del Lejano Oriente tiene un departamento de tsunamis. Su tarea es crear un nuevo servicio automatizado para alertar a la población de las zonas costeras sobre el peligro inminente. Frente a la costa de Kamchatka, Kuril Ridge y Sakhalin, así como en el océano, directamente en la zona de posibles terremotos, los científicos están instalando muchos instrumentos y sensores. En primer lugar, los instrumentos sensibles, los sismógrafos, monitorean la actividad sísmica de la Tierra. Captan ondas elásticas, que determinan las coordenadas del epicentro en la energía de un terremoto submarino. Si la energía es alta y el epicentro está ubicado en un área donde las olas altas aparecen con mayor frecuencia, entonces se transmite una señal de advertencia por cable y líneas de radio a las estaciones hidrometeorológicas que monitorean el nivel del mar. Después de recibir una señal, los observadores monitorean las lecturas de los medidores de nivel de autorregistro e intentan registrar las primeras olas de tsunami, generalmente pequeñas. Pero encontrarlos no es tan fácil. Las olas del viento llegan a la orilla cada medio minuto. Dos veces al día, el nivel del mar sube durante las mareas altas. Pero las olas del tsunami golpean la costa con un intervalo de 10 a 150 minutos. ¿Cómo, entonces, distinguir una ola de viento, un maremoto de un tsunami? Un flotador flota en un conducto instalado verticalmente que comunica con el mar. Sube o baja y pone la pluma en movimiento, registrando las fluctuaciones de nivel en la cinta. Una columna de líquido a una profundidad de, digamos, 10 m crea una presión igual a una atmósfera. Pero el mar rara vez está en calma. Por lo tanto, si se instala un manómetro a cierta profundidad, se puede juzgar la altura de la ola por sus lecturas. El viento y los maremotos, superpuestos, parecen oscurecer las primeras olas del tsunami, aún bajas. Es muy difícil distinguirlos con la ayuda de instrumentos de flotación e hidrostáticos. Además de ellos, se instaló otro dispositivo. Fue llamado el detector de olas de tsunami.
Familiaricémonos con su dispositivo (ver. Fig.). La copa corrugada de metal 1 se comprime bajo la acción de la presión hidrostática. Dos capilares de diferentes diámetros 2 conectan la cavidad de la copa con dos cámaras idénticas 3, dentro de las cuales también se instalan copas corrugadas, pero de menor tamaño. Sus cavidades internas comunican con la cámara de medición 4, dividida por una membrana en dos partes. Las cavidades internas de las tres copas están llenas de un fluido incompresible. El sensor está instalado en la membrana. ¿Cómo reacciona el detector a las fluctuaciones del nivel del mar? Los maremotos solo llegan a la costa dos veces al día. El nivel del mar está cambiando lentamente, por lo tanto, la presión hidrostática aumenta gradualmente en el lugar donde se instala el dispositivo. La copa de metal se comprime gradualmente, desplazando parte del líquido casi sin resistencia a través de los capilares hacia la cavidad interna de la cámara de medición. La presión en ambos lados de la membrana es la misma, el dispositivo es silencioso. El dispositivo es silencioso incluso cuando hay olas de viento ordinarias en el mar. Al encontrar una resistencia significativa en los capilares, el líquido no tiene tiempo para fluir a una velocidad suficiente. En este caso, una presión constante actúa sobre la membrana. Sólo cuando se acercan las olas del tsunami se empieza a notar el efecto de las diferentes resistencias capilares. Un capilar con un diámetro mayor crea menos resistencia al flujo de fluido y la presión en un lado de la membrana se vuelve mayor que en el otro. La membrana se dobla, el sensor enciende automáticamente las alarmas de luz y sonido en la estación. Así funciona el servicio de alerta costera. Sin embargo, los científicos del instituto se esfuerzan por mejorar la eficiencia del sistema de alerta y ganar tiempo con el tsunami. Los dispositivos sensibles se sacan lo más lejos posible de la costa y se conectan por cable o radio a las estaciones costeras. Toda una red de estaciones ya está equipada en las islas, en flotadores amarrados: boyas. En zonas sísmicamente activas a una profundidad de 5 a 6 km, se instalan sismógrafos automáticos y detectores sensibles de olas de tsunami con transductores de cuerda. Los detectores actúan como diapasones, como cuerdas de piano estiradas sobre un marco rígido. Uno solo tiene que girar la clavija con la llave en cualquier dirección, a medida que cambia el tono de la cuerda. El convertidor se basa en el mismo principio. Entre el centro de la membrana, que se ve afectado por la presión hidrostática medida, y el cuerpo del dispositivo, se estira un alambre de acero delgado: una cuerda. Si el océano está en calma, la cuerda suena a la misma frecuencia. Pero tan pronto como aparecen las ondas, la membrana se hunde, la tensión de la cuerda disminuye. El dispositivo electrónico capta el cambio de tono y envía una señal a través del cable hasta la boya. Estaciones costeras, insulares y de boyas no es todo lo que tendrá el servicio automatizado. Para detectar las olas de un tsunami, ahora se están realizando experimentos utilizando un láser. Se sabe que gracias al láser fue posible medir la distancia de la Tierra a la Luna con una precisión de varias decenas de centímetros. ¿Y por qué no instalar un telémetro láser en el satélite para medir las fluctuaciones del nivel del océano? Quizás pronto habrá satélites que monitorearán las olas de los tsunamis. Además del océano en sí, la ionosfera puede informar sobre la aparición de olas altas. Cuando una sección de la corteza terrestre cae o se eleva bruscamente bajo el agua, una columna de aire atmosférico sube o baja junto con la columna de agua. En las capas superiores surgen ondas acústicas que distorsionan las ondas de radio reflejadas desde la ionosfera. Dado que las ondas acústicas superan al tsunami por varias horas, los científicos creen que el método ionosférico también se utilizará en el servicio de alerta. La información de todos los instrumentos y sensores instalados en el fondo del océano, las estaciones de boyas y la costa se enviará a un solo centro del instituto y se enviará a una computadora. La máquina calculará y hará una recomendación: en qué área se debe esperar la ola más alta y qué tan pronto. Se activará una alarma en esta área: las personas tendrán tiempo de trasladarse a un lugar seguro. Sabes que ... ... Los tsunamis pueden ser causados no solo por desplazamientos de enormes bloques de tierra del fondo del océano. Durante la erupción del Krakatau en el verano de 1883, una explosión de una fuerza sin precedentes sacudió la tierra. La isla-volcán (sus dimensiones eran de aproximadamente 5 por 10) explotó en el aire, y fragmentos de roca con un volumen de 20 km3 cayeron a las aguas del Estrecho de Sunda. Fueron ellos quienes provocaron una ola gigante, que, aunque ya debilitada, se registró en las costas de Francia e Inglaterra, es decir, pasó el Océano Índico, rodeó África y se adentró en el Atlántico. ... La atmósfera también puede generar tsunamis. Tan pronto como la presión atmosférica en algún lugar sobre el océano descienda solo 1 mm, el nivel del agua en esta área aumentará 13 mm. Y la presión atmosférica a veces cae muchas decenas de milímetros, como sucede durante los tifones. Se crea algo parecido a una colina en la superficie del agua que, con un cambio brusco del ciclón, se asienta instantáneamente y genera olas. ... En julio de 1958, en la costa de Alaska, una gran avalancha descendió de las laderas del monte Fairweather, que contenía una masa de hielo, nieve y tierra. La ola que se elevaba después alcanzó más de 500 m de altura. No es de extrañar que ella "con la cabeza" cubriera la isla cercana. ...Recientemente, se han detectado olas de tsunami... en la Luna. Según los astrónomos, las numerosas estructuras montañosas en forma de anillo que rodean la mayoría de los cráteres lunares con un diámetro de 200 km pueden ser lobos del tsunami preservados. Los meteoritos que cayeron sobre la superficie aún no enfriada de la Luna perforaron su capa delgada y endurecida. La roca fundida se elevó desde las entrañas hacia el agujero formado. Como un líquido ordinario, formó ondas, que se congelaron para siempre. ...Hace trece años, en la isla de Urup, que forma parte de la cadena de las Kuriles, vivía una gran manada de nutrias marinas. Después de dos devastadores tsunamis, las aguas costeras poco profundas quedaron cubiertas de piedras. El equilibrio alimentario de los animales se vio alterado y su número se redujo drásticamente. Pero aquí hay un patrón interesante. Poco después del tsunami, se notó una explosión ambiental en la misma isla. La manada de urupsia no solo se recuperó rápidamente, sino que también aumentó. Según el zoólogo de Sakhalin, Viktor Voronov, los tsunamis destruyen y crean. Un arado gigante levanta una enorme cantidad de nutrientes de las profundidades. Las olas aran y fertilizan la plataforma costera. En un "caldo" tan nutritivo, se desarrollan rápidamente fito y zooplancton, crecen cardúmenes de peces. Por ello, la nutria marina eligió como lugar de residencia la isla, que anualmente es objeto de ataques de tsunamis. ... Calculado y experimentalmente, los científicos llegaron a la conclusión de que las olas del tsunami decaen con la distancia desde el epicentro en proporción a la distancia, llevada aproximadamente a la potencia de 5/6. Las fluctuaciones en la corteza terrestre debajo del fondo del océano pueden causar no una, sino varias olas. ¿Cuál de ellos es el más peligroso: el primero, el segundo, el tercero? Resulta que el tsunami alterna en su crecimiento relativo a medida que se aleja del lugar donde se originó. Por ejemplo, cerca del epicentro, la segunda onda es más alta que la primera. Pero cuanto más lejos de la fuente, mayor es el número de serie es la onda máxima. ...La energía característica de un terremoto es la magnitud medida por un sismógrafo. La escala de magnitud fue propuesta por Charles Richter. El terremoto más poderoso tiene una magnitud ligeramente inferior a 9. Los sismólogos creen que si la magnitud en la escala de Richter es 7 o más, entonces la aparición de un tsunami es casi completamente inevitable. Si es menor, entonces la probabilidad de un tsunami es cercana a cero. Autor: V.Rotov
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