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揭開海嘯成因的多重面紗:淺談 2022 東加海嘯事件

111/11/30 瀏覽次數 731
圖一

圖一:海嘯成因百百種,除了常見的海底地震之外,舉凡海底滑坡、火山爆發、冰山崩塌,甚至是隕石撞擊等,都可能是引發海嘯的成因。(影像來源:Unsplash)

海嘯,是大家耳熟能詳且戒慎恐懼的一種天然災害,特別是在 2004 年南亞海嘯以及 2011 年東日本海嘯發生之後,民眾普遍對於地震所引發的海嘯已經具備了基本概念。除了最常見的海底地震之外,舉凡海底滑坡、火山爆發、冰山崩塌,甚至是隕石撞擊等,都可能是海嘯的成因。
然而,2022 年 1 月 15 日東加王國的洪加東加-洪加哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha'apai)海底火山爆發,除了衝入天際達 60 公里高的火山煙流(volcanic plume)引起全球矚目及關心外,其引發海嘯的複雜機制,使得許多科學家開始重新審視及研究此次海嘯的罕見成因。

形成東加海嘯的 2 大機制

東加海嘯的起因是海底火山發生蘇爾齊亞式(Surtseyan eruption)的噴發,也就是由火山縫隙中所流出的高溫岩漿,將周遭海水快速升溫汽化後,快速的浮出水面並造成大氣氣壓迅速增加;另一方面,火山爆發所形成的火山碎屑,也快速的衝向水面造成海水水位的變化。
不同於一般的海嘯是起因於單一誘發機制(例如地震、海底滑坡或是隕石撞擊等),東加海嘯至少有兩個形成機制。第一個機制,是大量的火山碎屑噴出導致水面驟升後,開始向四周傳遞形成海嘯。這個機制所形成的海嘯特性和海底地震誘發的海嘯類似,它們傳播的速度通常滿足重力長波理論,也就是海洋深度愈大則波速愈快。若以太平洋平均深度約 3600 公尺估算,海嘯的傳播速度約為 188 m/s。
形成東加海嘯的第二個機制,是來自於大氣氣壓的驅動。由於大量水汽(water vapor)衝出水面,迅速增加的局部空氣壓力,最大增加量約為 200 hPa(約為正常大氣壓力的千分之二),形成了大氣中的藍姆波。藍姆波傳播的速度略等於聲速(310 m/s),比起一般的波浪快上許多。
在藍姆波移動的同時,大氣壓力的變化會驅動海水表面的波動,形成一組由速度近似藍姆波的海嘯,以及速度近似於重力長波的海嘯所組成的多重海嘯。此種由不均勻分布氣壓移動所驅動的海嘯,一般稱為「氣象海嘯」(meteotsunami)。在東加海嘯事件中,日本氣象廳觀測到氣象海嘯到達日本沿岸的時間,比傳統的重力波海嘯早了約兩小時,原因就在於藍姆波誘發的海嘯速度大於重力水波的速度。
 

藍姆波所誘發的氣象海嘯有何特殊?

為了更清楚說明藍姆波所誘發的氣象海嘯特性,下圖是藍姆波所驅動的一維平面氣象海嘯示意圖。根據東加海嘯發生的環境及條件估算,本圖所採用的福祿數(Froude number,定義為藍姆波的速度除以重力水波的速度)為1.5,粗線為海水表面水位,細線代表氣壓的分布,其突出處為藍姆波的位置,圓點則是火山爆發中心點。

圖二

圖二:一維平面海嘯示意圖。粗線為海水表面水位,細線代表氣壓的分布,其突出處為藍姆波的位置,圓點則是火山爆發中心點。(影像來源:劉啟民教授)     

由本圖可知,最右方的第一波海嘯速度最快,其和藍姆波的速度一致,緊隨在後的是下沈型態具有重力長波速度的第二波海嘯,而左方則是具有重力長波速度但與藍姆波方向相反的海嘯。
必須注意的是,上述的第二波的氣象海嘯,和第一個機制所產生的重力波海嘯速度極為接近,在近岸時可能會發生更複雜的交互作用。此外,在某些特定條件下,例如由颱風所誘發的波浪,如果氣壓傳播的速度非常接近重力水波速度,也就是福祿數接近於1的時候,會形成普勞德曼共振(Proundman resonance),此時波高會隨著傳播距離的增加而逐漸變大,很有可能造成極大的災害。
由全球各地的海底壓力計、氣壓計等多項觀測資料顯示,這次的東加火山爆發所引發的氣象海嘯,形成了類似「隔山打牛」的跨洋效應,也就是說海嘯不只是出現在東加王國所在的太平洋,也出現在加勒比海、大西洋,甚至是地中海,此類跨洋海嘯現象通常不會出現在地震所引發的海嘯事件中。
雖然東加海嘯並未造成嚴重的傷亡,但複雜的海嘯生成及傳播機制,成為了科學家們努力研究探索的目標。對於複雜海嘯成因的深入瞭解,除了可以增進對海嘯特性的認識,未來也可將更多不同成因的海嘯納入現有海嘯預警機制之中,全面提升人類及環境的安全。

資料來源
  • T. Kubota et al., Science 10.1126/science.abo4364 (2022).
  • R. S. Matoza et al., Science 10.1126/science.abo7063 (2022).
  • J. Proudman, Geophys. J. Int., Vol.2, 197-209 (1929).
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