水能载舟,如何才能不覆舟? 从海浪的行为 谈海啸预警系统

海港可不只是出入口
颱风在台湾可说是家常便饭,气候因素使得风浪变大,因此渔船需进到港内才不会因持续晃动与碰撞造成损坏。
人们往往以「避风港」相称,却不知道设置海港其实是要避浪用的(图一)。水能载舟,如何才能不覆舟? 从海浪的行为 谈海啸预警系统
不过当对手从颱风代换成其他天然状况时,海港就不真的那幺安全了,例如海啸。海啸的日文为「津波」,其中的「津」指的就是海港;而津波二字也意味着,当海啸来临时,最有浪的地方就是海港!对近海渔船而言,遇到这种情况的最佳解决方案是往外海移动,回港只会是更危险的选择。

一般来说,消除波浪的方法是找到一个「大个子」阻挡它前进,这也是为什幺海堤常设的带状消波块(图二),其陈设宽度绝对都比海浪的波长要长的原因。然而,海啸的波长比一般海浪又更长,这段距离无法轻易地阻挡掉;当波长长度突破提防设计的上限,这个「城墙」就失去它防卫的作用,且台湾的港口普遍盖在地形平缓处, 海啸也更容易上岸......水能载舟,如何才能不覆舟? 从海浪的行为 谈海啸预警系统
从波与浪的行为构筑海啸科学
老掉牙但还是要讲:关于波

在解决这个问题前,可以先认识一下海啸的本质。直观来看,海啸比一般海浪来得大,但水波「行为」的不同才是造成海啸具毁灭性冲击的关键。在深海,海啸的浪 高仅约1 公尺,週期为30 分钟,这种花15 分钟上升1 公尺、再花同样的时间退下来的海波,置身其中的船只想必处在非常舒适的状态。

有趣的问题是,假设某人穿戴救生圈在一深海水域戏水, 其波浪可被理想化为一正弦波(sine wave), 当海浪袭 来时,他会如何移动呢?答案是原地上下摆荡。这种「传能量不传质量、质点不会移动」的特性,与光波的传递很类似。试想,人们可以看到强光照射,但并不会被光所推动;反之,若今天传过来是石头之类的物体,那就会变成传能也传质的状况了。 

浪与潮的分野
外海的波浪可比作正弦波,但近岸的浪就不是这幺回事了。原因在于,海浪抵达岸边的这段时间,由于海的深度变浅,导致水分子向下运动的空间产生变化;当水分子行经浅水处,会产生多余的力量向上推挤,造成浮出海面的 浪被推得更高并逐渐形成「捲浪(roller wave,图三)」, 这种海浪崩塌后的行为在海啸科学里称为涌潮(bore)。水能载舟,如何才能不覆舟? 从海浪的行为 谈海啸预警系统
涌潮与波浪不同,它具备推行能力(即传能也传质), 而海啸即将上岸时,其高度会越叠越高;当高度到达一程度后便会向下掉落,此称「临界破碎点」。 在破碎点前,海啸的本质是波浪,跨越这个点以后,就是涌潮了,这也是为何海啸来临前渔船必须出港迎接海啸的原因只要在破碎点发生前冲过去,船只的处境就相对安全(图四)。水能载舟,如何才能不覆舟? 从海浪的行为 谈海啸预警系统 后浪为何推前浪?
除了能量传递外,读者也许会好奇:高的海啸跟低的海啸,谁跑得比较快?海啸的波传速度(即能量传递的速度)可以c=√gh表示,其中c为波传速度,g为重力加速度,h 为水深。从这里可以看到,无论多高、多大的海啸,其传递的速度都无关乎高度与波长等因素,只跟水深有关。

在深海,假设g是10公尺∕秒平方,水深为4000公尺, 海啸波长速度为√40000=每秒200公尺(约每小时720 公里), 类似于喷射机的速度。另外,读者应该也听过「长 江后浪推前浪」这说法,c=√gh同时也能印证近岸海浪 「后浪推前浪」的特质。最后前浪到达临界点崩落,就一起「死在沙滩上」啦!

前方高能注意:谈海啸预警系统
了解海浪从外海到沿岸的行为变化后,就能根据这些特质模拟出海啸的预测系统。然而除了海浪的行为外,根 据发生机制的不同,海啸还可被分为两种:2004年的南 亚大海啸(Indian Ocean tsunami)与 2011 年的日本 311 海啸皆为地震引发的海沟型海啸,其地震运震带範围相当宽广;山崩型海啸範围虽较窄(约为10~50公里 内), 但是能量较集中、波高较大,与海沟型的海啸相反......
 

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