今年八月,挪威電影«Bølgen»/The Wave/《浪》即是這個超級海嘯的警世預言(見 電影預告片 )。預告片開頭展現出蓋朗厄峽灣如幻似夢的風景。很難想像,當巨浪吞噬蓋朗厄飯店是怎麼樣的場景。電影中的海嘯有一定的科學根據,而不是好萊屋電影那種極度誇大且不可能發生的災難。
奧肯尼斯山(Åkerneset/Åkneset)坐落在南伊爾芙峽灣(Sunnylvsfjorden)的中段西岸。其山壁的結構不穩,有一條方向為「左上─右下」的裂縫。根據Harbitz等人(2014)所引用的資料與研究結果,在海拔900公尺的裂縫處,下方山壁西端以每年15公分的速度位移。這不穩區域的山壁體積約5400萬立方公尺,當中的上部體積約1800萬立方公尺。若此不穩區完全崩落,這樣規模的災難,約每1000至5000年發生一次;若此不穩區僅上部分崩落,這樣規模的災難,不到1000年就發生一次。許多媒體報導的毀滅性災難,動輒數十萬年甚至數百萬年才會發生一次。相較之下,奧肯尼斯山崩發生的機率大多了,而且是達到必須建立監測與預警系統的程度。至今已有許多這方面的研究。當最大規模的山崩發生,大峽灣系統的所有沿岸村鎮皆受波及,而生命及財物損失最嚴重的將是海勒敘爾特(Hellesylt)小鎮和蓋朗厄(Geiranger)小村。在這最嚴重的情形下,山崩後約三分半鐘時,海嘯領先波以18公尺的波幅逼近海勒敘爾特,快要四分半鐘時,一道高達40公尺(約14層樓高)的水牆出現在灣頂海面上,四分半鐘過後不久,海嘯襲擊海勒敘爾特,最大溯上高度達85公尺(約29層樓高)。接著,海嘯拐過三個彎,到達峽灣東段。約八分半鐘時,領先波以13公尺的波幅逼近蓋朗厄,快要十分鐘時,一道高達23公尺(約8層樓高)的水牆出現在灣頂海面上,十分鐘過後不久,海嘯襲擊蓋朗厄,最大溯上高度達70公尺(約23層樓高)。山崩處對面有一河谷地,是已荒蕪的農莊Oaldsbygda所在,海嘯在此處的最大溯上高度達100公尺(約34層樓高)。電影似乎誇大了些,編劇把溯上高度當成水面抬升高度,等同是誇大了兩三倍。
【地理概要】
挪威依行政區畫分出東南西中北五區。把挪威想像是一條頭向西南,尾向東北的蝌蚪。東南西三區是頭胸腹部,中部是屁股和尾巴前一小段,北部是尾巴剩下的最大部分。擁有高聳陡峭山壁的峽灣,位於西部內陸。大峽灣(storfjorden)位於西挪威的南默勒(Sunnmøre)地區。這條峽灣內陸支系所在之處,地質相當不穩,時有山崩。當山崩規模過大,碎裂的大面山壁落入峽灣,就會引發海嘯。大峽灣有兩條內陸支系,北谷峽灣(Norddalsfjorden)向東,南伊爾芙峽灣(Sunnylvsfjorden)向南。南伊爾芙峽灣的南端,延伸出其唯一支系。此支系為向東往內陸深入,形如「八字鬍」,兩岸山壁高聳陡峭,非常狹窄,盡是白瀑披掛的蓋朗厄峽灣。蓋朗厄峽灣最西端是海勒敘爾特(Hellesylt)鎮(tettsted),最東端是蓋朗厄(Geiranger)村(bygd)。每到夏天,蓋朗厄小村總是擠滿遊客。較少遊客逗留在海勒敘爾特。這兩處都屬於默勒及魯姆谷(Møre og Romsdal)郡(fylke),斯特蘭達(Stranda)區(kommune)。此區的行政中心是斯特蘭達鎮。這小鎮位於大峽灣西岸,靠近南伊爾芙峽灣之處,同時也是此區的購物中心與工業區。北谷峽灣往內陸再延伸的支系是塔峽灣(Tafjord)──在20世紀發生過一起毀滅性的山崩型海嘯。
超級海嘯(megatsunami)是指波幅、浪高、或溯上高度比地震型海嘯還要大上許多的海嘯,主要由陸上山崩、海底山崩、或隕石撞擊所引發。雖然海嘯的譯名中帶有「海」字,但其實不限於海水,湖泊和水壩等水體所產生的極大波長的一系列波浪也稱為海嘯。超級海嘯一詞並沒有明確的定義,若採取較寬鬆的定義,凡是溯上高度達百米的海嘯都能稱之為超級海嘯。二十世紀最為人所知的超級海嘯發生在1958年阿拉斯加利圖亞灣(Lituya Bay),由山崩引發,最大溯上高度達524公尺,另兩起最大溯上高度超過200公尺的山崩型海嘯分別發生在1963年義大利瓦依昂水壩(Vajont Dam)──最大溯上高度達250公尺、與1980年聖海倫斯火山爆發時的靈湖(Spirit Lake)──最大溯上高度達260公尺。
未來可能發生的毀滅性超級海嘯,最引人關注的是位於西班牙加那利群島的La Palma島山崩海嘯。若火山爆發,大面山壁將落海,引發數百米高的超級海嘯,侵襲非洲西北岸、伊比利半島、愛爾蘭、大不列顛、北美東岸、加勒比海島嶼、與南美東北岸。根據Ward與Day(2001)的研究,山崩體的體積為500立方公里,長25公里,寬15公里,厚1.4公里,以100m/s的速度觸及海面,滑入4公里深的海底。一開始,在La Palma島近海的水面抬升高度達到906公尺。約10分鐘過後,海嘯侵襲加那利的西端小島,水面抬升高度仍有數百公尺高。約一小時過後,海嘯侵襲非洲大陸,水面抬升50至100公尺。約3至6小時過後,海嘯侵襲西班牙與英格蘭,水面抬升5至7公尺。約6小時過後,在大西洋另一端,海嘯抵達加拿大紐芬蘭,水面抬升10公尺,同時海嘯侵襲南美東北岸,水面抬升15至20公尺。約9小時過後,海嘯侵襲美國佛羅里達,水面抬升20至25公尺。海嘯以10至25公尺高的水牆迎向整個北美東海岸線,造成重大經濟損失。
然而,後續諸多學者認為山崩規模不可能這麼大。該島若發生山崩,山壁以數小時至數天的時間慢慢崩落的機會,比一下子大面崩落的機會大多了。即使最嚴重的山崩發生──如同Ward與Day(2001)所設定的500立方公里,一些學者以其他模型預測海嘯規模,結果計算出來的海嘯規模小多了。根據Løvholt等人(2008)的模型,最大山崩的崩落體積不可能超過375立方公里,而如此規模的山崩,發生機率極低,十萬年發生不到一次。以此山崩規模來預測海嘯規模,在La Palma島附近的水面最大抬升高度雖然可達300公尺,但只有Ward與Day(2001)所預測的三分之一,在加那利群島的其他島嶼,水面最大抬升高度僅介於10至188公尺,而海嘯抵達西撒哈拉的水面抬升高度僅37公尺,抵達巴西北岸的水面抬升高度僅13.6公尺,抵達美國東海岸的水面抬升高度根本不及10公尺。由此來看,同樣在最嚴重的情況下,奧肯尼斯海嘯的發生機率是La Palma海嘯的20至100倍以上。當海嘯正要侵襲海岸時,海勒敘爾特小鎮與蓋朗厄小村海面上的水面抬升高度(分別是40與23公尺),也比美國東岸海面上的水面抬升高度(2.2至5.7公尺)還要高得多。
【名詞解釋】
波幅(wave amplitude),通常指波峰(crest)的波幅,即靜水位至波峰的垂直距離,又稱為水面抬升高度(water surface elevation),而在文中有時以「水牆高度」稱呼浪高(wave height)指波谷至波峰的垂直距離溯上高度(run-up height)指海浪上岸後的爬升高度,是評估海嘯破壞力的指標,大眾媒體所稱的浪高其實是溯上高度
挪威歷史上最大規模的山崩發生在1756年的長峽灣(Langfjorden)。這起山崩引發超級海嘯,最大溯上高度達200公尺。挪威在二十世紀發生三起造成重大損傷的山崩型海嘯,分別發生在1905與1936年的盧恩湖(Loenvatnet)、以及1934年的塔峽灣(Tafjorden),紀錄到的溯上高度分別是41公尺、76公尺、與63公尺。這三起海嘯,總共造成175人死亡。電影《浪》即提及塔峽灣海嘯的歷史。
套用相關研究的模型,奧肯尼斯海嘯的水面最大抬升高度可超過百米,而最大溯上高度可達300公尺!現在就來看看這些數字是怎麼計算出來的。
決定最大浪高(Hm)與最大波幅(Am)的變數包括山崩體落海瞬間的速率(v)、體積(V)、平均寬度(b)、最大厚度(s)、密度(ρ)、水體平均深度(h)與密度(σ)、以及山崩處的山壁坡度(α)。
Heller and Hager (2010)
Hm = 5/9 h [ (v / √gh) (s/h)1/2 (ρV / σbh2)1/4 √cos 6α/7 ]4/5
Am = 4/5 Hm
(deviation: both 30%)
海嘯是一系列的大浪,是洪水。當浪高與水體深度的比值(H/h)大於海岸坡度(β)到一定程度時,海浪就會變成碎浪。一般大眾對於海嘯的印象是碎浪,是因為大眾所想像的海嘯正在侵襲平緩的沙岸。如果海嘯侵襲坡度夠大的海岸山坡時,海嘯像是一道水牆,撞上海岸山坡。在水牆頂端與山坡面接處之後,海水開始往上爬,侵蝕所到之處的地表,催毀溯上高度以下的所有建築物。若海嘯的某一波未形成碎浪,則該波的溯上高度(Ru)取決於浪高與水體深度的比值、與海岸坡度。
Synolakis (1986)
Breaking criterion:
H/h > 0.8183 (cot β)-10/9
Non-breaking:
Ru = 2.831 h √(cot β) (H/h)5/4
Breaking:
Ru = 1.109 h (H/h)0.582
用上面的公式檢視1958利圖亞灣海嘯
Fritz et al. (2001)得到
v=110m/s,V=30.6x106m3,b=823m,s=92m,ρ=2700kg/m3,h=122m,σ=1000kg/m3,α=45°,β=45°
在此:
g=9.8m/s2
Hm=176m,與Fritz等人(2001)的預測值162m相差8.6%
而該預測值落在偏差範圍(±53m)內
Am=141m,偏差範圍±42m
符合breaking criterion,但根據Fritz等人(2001)的實驗,碎波並未完全形成
Breaking:
Ru=167m,與實際值524m相差68%
Non-breaking:
Ru=545m,與實際值524m相差4%
上述公式,的確精準地預測出1958年利圖亞灣海嘯的浪高與最大溯上高度。那麼,這套公式是否適用於奧肯尼斯海嘯?以下用這套公式來預測奧肯尼斯海嘯
Harbitz et al. (2014)得到
v=45m/s,V=54x106m3,b=450m,s=120m,h=300m,α=35°
Kveldsvik (2008)
ρ=2738kg/m3
在此:
σ=1000kg/m3,β=45°,g=9.8m/s2
Hm=129m,偏差範圍±39m
Am=103m,偏差範圍±31m
未符合breaking criterion
Ru=295m
若β取44°,則最大溯上高度為301m
若β取60°,則最大溯上高度為224m
若β取30°,則最大溯上高度為389m
若β小於30°,則符合breaking criterion
無論是利圖亞灣海嘯,還是奧肯尼斯海嘯,最大溯上高度發生在對岸山坡上。上述公式的計算結果,只是用來預測在某規模下的山崩,可以製造出多大規模的海嘯,而無視其他條件的限制。實際上,山崩體落海的方向(水平面上),還有兩岸之間的距離,都會影響某一波在對岸的溯上高度。根據Harbitz等人(2014)的實驗摸擬,海嘯侵襲對岸山坡Oaldsbygda的最大溯上高度僅100公尺,只有上述理想值的三分之一,這可能是山崩崩落角度造成的結果,即最大浪並非撲向此處,而是其他山坡處。
References
Fritz, H. M., Hager, W. H., and Minor, H.-E. (2001). Lituya Bay case: Rockslide impact and wave run-up. Sci. Tsunami Hazards, 19(1), 3-22.
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Furseth, A. (n.d.). Farlige bølger i tall. Retrieved August 20, 2015, from http://astorfurseth.no/farligeb.html
Harbitz, C. B., Glimsdal, S., Løvholt, F., Kveldsvik, V., Pedersen, G. K., and Jensen, A. (2014). Rockslide tsunamis in complex fjords: From an unstable rock slope at Åkerneset to tsunami risk in western Norway. Coastal Engineering, 88, 101-122.
Heller V., and Hager W. H. (2010). Impulse Product Parameter in Landslide Generated Impulse Waves. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 136(3), 145–155
Kveldsvik, V. (2008). Static and dynamic stability analyses of the 800m high Åknes rock slope, western Norway. Ph.D. thesis, Department of Geology and Mineral Resources Engineering, Norwegian University of Science and Technology.
Løvholt, F., Pedersen, G., and Gisler, G. (2008). Oceanic propagation of a potential tsunami from the La Palma Island
J. Geophys. Res. 113, C09026, doi:10.1029/2007JC004603.
Løvholt, F. (n.d.). La Palma-tsunamien: Katastrofal, men usannsynlig. Retrieved August 20, 2015, from http://www.ngi.no/no/Innholdsbokser/Referansjeprosjekter-LISTER-/Referanser/La-Palma-tsunamien-Katastrofal-men-usannsynlig
Synolakis, C. E. (1986). The run-up of long waves. Ph.D. Thesis, California Institute of Technology.
Ward, S.N., and Day, S. (2001). Cumbre Vieja volcano – Potential collapse and tsunami at La Palma, Canary Islands. Geophys. Res. Lett. 28(17), 3397–3400.
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