«Математика – это язык природы»
Профессор, ведущий научный сотрудник Международной лаборатории динамических систем и приложений НИУ ВШЭ – Нижний Новгород Ефим Наумович Пелиновский - единственный из россиян, кто вошел в мировой рейтинг самых цитируемых ученых, изучающих цунами. Службе портала Ефим Наумович рассказал о применении нелинейной теории динамических систем в расчетах характеристик заливания суши волнами, о прогрессе в изучении стихийного бедствия и самых опасных зонах в мире.
Ефим Наумович Пелиновский - автор почти двух десятков книг и более чем семисот статей. Библиографический обзор был опубликован в международном журнале Natural Hazards (Природные катастрофы).
- Начиная с 1992 года, все крупные цунами исследуются совместно экспертами из разных стран, и российские специалисты принимают в них участие. Я принимаю участие в исследовании цунами примерно с 1972 года. Наш Институт прикладной физики РАН, где я работаю со дня основания (а до этого в НИРФИ, как раз в корпусе, в котором теперь Вышка), занимался нелинейными уравнениями и математическими моделями. Я начал искать сферы их применения, и оказалось, что они могут применяться в такой экзотической области, как исследования цунами.
Как это часто бывает, сначала занимаешься экзотикой, потом потихоньку появляется профессиональный интерес, и вскоре ты становишься профессионалом в этой сфере. Благодаря своей работе я посетил Сахалин, Курилы, Камчатку и страны, связанные с этим стихийным бедствием.
Но всплеск интереса к цунами, бум изучения и научных статей начался 26 декабря 2004 год. В этот день к западу от острова Суматра в Индийском океане произошло самое сильное за последние 50 лет землетрясение. Смещение тектонических плит вызвало гигантскую волну, которая со скоростью около 1000 км/ч начала стремительно продвигаться по Индийскому океану во всех направлениях. От удара стихии пострадали 13 стран, более 235 тысяч человек погибли или пропали без вести.
- Ефим Наумович, какие основные причины цунами известны ученым?
- В 85% случаев основная причина – это землетрясение. В последнем десятилетии наиболее разрушительное цунами произошло 11 марта 2011 года у побережья Японии. Энергия землетрясения оценивалась магнитудой 9 баллов. Для сравнения - это одновременный взрыв 1000 атомных бомб. Волны распространились по всему Тихому океану.
Цунами может быть вулканического и оползневого происхождения. В качестве примера здесь можно вспомнить цунами, зарегистрированное во многих странах, в том числе в Европе и Америке, которое было связано с извержением вулкана Кракатау в Зондском проливе между островами Суматра и Ява. И, конечно, нельзя не сказать про цунами, которое накрыло Королевство Тонга 15 января 2022 года. Волны цунами были вызваны гигантским подводным извержением вулкана, которое началось 14 января. Власти целого ряда других стран призвали жителей прибрежных районов оставаться в отдалении от океана, пока угроза цунами не минует. О возможности возникновения волн на Курильских островах и в Японии сообщили представители российских экстренных служб.
Цунами оползневого происхождения возможны не только в морях, но и в реках. В 1597 году оползень с высокого берега Волги сошел в воду вместе с Печерским монастырем в нашем Нижнем Новгороде, вызвав в Волге «бугры великие», как написали летописцы. Волны были такой силы, что выбросили суда в реке на противоположный берег. Тот монастырь, который мы видим сейчас, был построен позже, на 1,5 км вверх по течению.
Стихийное бедствие могут вызвать метеориты. Думаю, что многие вспомнят известное озеро Чебаркуль, в которое 15 февраля 2013 года упал большой осколок метеорита весом 500 кг и диаметром 1 метр. Он пробил лед, образовав полынью диаметром 8 м, но, судя по следам обследования и результатам численных расчетов, метеорит не вызвал цунами. К счастью, в этот раз повезло, но опасность таких событий нельзя игнорировать.
- Есть ли прогресс в прогнозировании этого стихийного бедствия?
- Есть, причем колоссальный. Специалисты работают над моделями, прорабатывают и ведут расчеты, основываясь на событиях прошлых лет. Немаловажную роль играет связка математики и программирования, потому что приходится обрабатывать и анализировать большое количество данных.
Сейчас существует как краткосрочный, так и долгосрочный прогноз цунами. Пример оперативного прогноза – цунами, о котором я уже говорил, в Королевстве Тонга. Правда, служба цунами начала отслеживать это событие, когда волна цунами уже затопило побережье Тонга (максимальная высота – 15 м). Население других стран было вовремя эвакуировано, хотя не обошлось без жертв, к сожалению.
- Почему, несмотря на своевременное предупреждение, все же пострадали люди?
К сожалению, во многом это связано с человеческой психологией - кто-то может вернуться за ценной вещью, за питомцем. Так, в Тонга погибла женщина владелица приюта для собак, которая попыталась их спасти. Немаловажную роль играет избыточность информации. Например, в стране, которая имеет колоссальный опыт, в Японии в 2011 году специалисты дали точный прогноз высоты волны. Но народ реагировал так – высота волны 5 метров – мне кажется, лет 10 назад уже была такая волна, но она не дошла до моего дома, поэтому останусь здесь. А волна оказалась 6 метров. Люди погибли из-за этого.
- Для ученых отправная точка – это прогноз причины образования волн?
- Цунами, в каком – то смысле, это как прогноз погоды. Метеорологи следят за облаками из космоса и делают свой прогноз. Здесь то же самое. Цунами как явление легко прогнозируется, в отличие от его источников. Информация о землетрясении приходит на побережье существенно быстрее, чем волна цунами. У ученых есть от 10 минут до нескольких часов, чтобы оперативно предупредить о стихийном бедствии население.
- Вы сказали, что существуют и долгосрочные прогнозы
- Долгосрочные прогнозы, в основном, связаны со строительством крупных и государственно важных объектов. Например, атомных станций, которые, как правило, ставятся на берегу, поскольку для работы реактора нужна вода. Не так давно я участвовал в одном из таких проектов. По международным нормам нужны расчеты вероятности волн на 10 000 лет вперед. Для того, чтобы выдавать прогноз, нужны многочисленные исторические данные. Как правило, их мало, либо совсем нет. Поэтому здесь как раз применяются математические методы. Мы генерируем искусственно все возможные цунами, которые могли бы произойти за это время. Как я уже сказал, нельзя прогнозировать конкретное землетрясение, но разломы, смещения можно рассматривать под разными углами и высчитывать вероятность бедствия.
- Эти прогнозы основываются на динамических системах?
- Да. Если ты имеешь дело с большой энергией, то это всегда нелинейный процесс. Любая стихия подходит под эти параметры. Математика – это язык природы. В нижегородской Вышке я веду дисциплину «Математические методы в естествознании». Мы разбираем разные задачи, например, почему саранча возникает неожиданно и исчезает. Это тоже стихийное бедствие, весьма нелинейное. С помощью фундаментальной математики, уравнений и формул со студентами мы ведем расчеты, которые дают ответы на наши вопросы.
- Чего мы пока еще не знаем о цунами? Какие остались белые пятна?
- Пока большой вопрос вызывает то, что происходит внутри Земли – землетрясения. На изучение землетрясений нужно время.
Сегодня большой интерес вызывают метеоцунами – волны с периодичностью от 10 до 30 минут. Одно из последних крупных событий произошло в Одессе в 2014 году. При этом одновременно с Одессой подобные аномалии случились и в Испании, и по всему побережью Средиземного моря.
Карты погоды даются каждые 6 часов. Но они не содержат своевременной информации о возникновении фронта, который вызовет волну цунами. Это всё еще предстоит узнать.
Для справки:
Основные научные достижения Е.Н. Пелиновского связаны с разработкой физико-математических моделей волновых процессов и их применением в прогнозировании морских природных катастроф. Им разработан ряд математических методов, позволивших изучить особенности генерации, распространения, трансформации и диссипации нелинейных волн в неоднородных и случайных средах. За этот цикл работ он удостоен Государственной премии России (1997). За работы по дистанционным методам изучения океана Е. Н. Пелиновский был награжден отечественной медалью “За трудовую доблесть” (1985). За исследования цунами и морских природных катастроф он удостоен нескольких международных наград. Сейчас профессор Пелиновский - один из ведущих мировых ученых в области поверхностных и внутренних волн.
Ознакомиться с библиографическим обзором (Jain et al. Tsunami in the last 15 years: a bibliometric analysis with a detailed overview and future directions), опубликованным в журнале Natural Hazards, 2021, vol. 106, 139-172, можно по ссылке.