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Determinan los mecanismos de los tsunamis provocados por deslizamientos

Los científicos han modelado el proceso que desencadena un tsunami provocado por deslizamientos de tierra y han establecido una ley de escala entre la altura de las olas y el volumen de la masa sumergida. El modelo corresponde a casos históricos y ayuda a evitar peligros potenciales.

Los físicos han investigado experimentalmente en el laboratorio cómo los deslizamientos de tierra que caen al agua provocan olas similares a las de un tsunami.

Para ello colapsaron una columna de gránulos que caían sobre una capa de agua y observaron la posterior formación de olas.

Con esta información, los científicos construyeron un modelo que combina la dinámica de los granos que se expanden a medida que caen al agua y la hidrodinámica de las olas resultantes en aguas poco profundas.

El modelo no solo coincide con un gran conjunto de datos de experimentos de laboratorio, sino que también captura la influencia de los parámetros iniciales y proporciona una predicción precisa de la respuesta acuática para estos casos también.

Según los investigadores, este trabajo ayudará a comprender mejor el mecanismo de formación de tsunamis por deslizamientos de tierra. El estudio se publica en Physical Review Fluids.

fenómeno peligroso

Los tsunamis son una o más olas altas causadas por el desplazamiento de un gran volumen de agua. Es un fenómeno muy peligroso para las zonas costeras que ha acompañado a la humanidad durante muchos siglos.

La edad de la primera víctima del tsunami descubierta por los científicos es de seis mil años, y el tsunami más grande de la historia reciente ocurrió en marzo de 2011, provocando el desastre en la planta de energía nuclear de Fukushima.

Los terremotos son la causa más común de tsunamis, aunque a veces son provocados por erupciones volcánicas. Otra causa común de este fenómeno se puede denominar deslizamientos, es decir, la caída de un trozo o capa de roca al agua, provocando una ola.

El mayor ejemplo de este tipo de ola fue el tsunami en la Bahía de Lituya, al noreste del Golfo de Alaska, ocurrido el 9 de julio de 1958: la altura de la ola alcanzó los 524 metros.

potencial destructivo

Este enorme potencial destructivo está obligando a los científicos a desarrollar estimaciones fiables del peligro de deslizamientos de tierra costeros, para lo cual los físicos están tratando de crear modelos universales de estos procesos.

Sin embargo, esto se complica por el hecho de que el resultado requiere una combinación de hidrodinámica de olas de aguas poco profundas con la mecánica de medios granulares, así como pruebas de laboratorio de alta calidad.

Para solucionar estas dificultades, vladimir sarlínde la Universidad de Paris-Saclay y colegas de EE. UU. y Francia, realizaron un estudio experimental sobre cómo la amplitud de onda de un tsunami potencial depende de los parámetros geométricos del deslizamiento de tierra y la profundidad del embalse.

Dispositivo experimental para el desarrollo de un tsunami de deslizamiento. M. Robbe-Saule, et al., doi:10.1038/s41598-021-96369-6.


modelo analítico

Para conocer los resultados predecibles, los autores desarrollaron un modelo analítico cualitativo que describe bien estas dependencias para el caso de aguas poco profundas.

Los deslizamientos de tierra en la naturaleza pueden ocurrir de diferentes maneras. Depende en gran medida de la masa afectada, la forma de la costa y más.

Para identificar patrones reproducibles, los físicos construyen sistemas simplificados en los que pueden controlar la mayoría de los parámetros. Para ello, utilizan granos de polvo estandarizados y reducen el problema a un área unidimensional aprovechando la geometría del sistema.

En su experimento, los autores filmaron una columna de cuentas de vidrio de cinco milímetros de diámetro desmoronándose mientras estaban parados en el borde de una piscina rectangular estrecha llena de agua.

diferentes olas

La columna estaba sostenida por un tabique que se elevaba a razón de un metro por segundo al comienzo del experimento. Los físicos controlaron la altura (de 9 a 50 centímetros) y la longitud (de 2,5 a 20 centímetros) de la columna y la profundidad de la cuenca (de 2 a 25 centímetros). Estaban interesados ​​en cómo la amplitud de la onda depende de estos parámetros.

Al aumentar la profundidad, los físicos distinguieron diferentes formas de formación de ondas. Aunque la profundidad es mucho menor que la altura de la columna, los gránulos en el agua se distribuyen principalmente en dirección horizontal y actúan sobre el agua como un pistón.

Como resultado, se forman perforaciones (ondas de marea), que son reemplazadas por solitones (ondas solitarias) con profundidad creciente.

borde gráfico

El límite entre los dos modos de respuesta acuáticos se alcanza cuando la amplitud de la ola comienza a disminuir, encontraron los científicos.

El proceso es el siguiente: cuando la profundidad es comparable o mayor que la altura de la columna, el movimiento de las bolas se vuelve mayormente vertical y luego emiten ondas transitorias no lineales, cuya amplitud cambia ligeramente.

Debido a que las olas que se producen en aguas poco profundas son las realmente peligrosas, los físicos se han centrado en describir qué sucede cuando un trozo de tierra cae al mar.

Los autores de esta investigación construyeron su modelo a partir de datos empíricos y, utilizando las leyes de escalamiento, relacionaron la amplitud de onda con el número de Froude, que a su vez se expresó en términos de los parámetros de deslizamiento.

modelo consistente

Como resultado, obtuvieron la dependencia de la amplitud de las fracciones de la columna mediante una fórmula compleja con coeficientes que dependen de las propiedades mecánicas del material granular.

El modelo construido resultó ser consistente con los resultados experimentales. También pudo explicar la relación empírica observada anteriormente entre la amplitud y el volumen de los gránulos sumergidos.

Los autores destacan la universalidad del modelo, que se puede aplicar a otros materiales simplemente cambiando los coeficientes.

Sin embargo, advierten que el modelo no tiene en cuenta todas las variables naturales que pueden surgir en las variaciones del colapso de la columna sobre el agua, incluida su posible destrucción de manera arbitraria.

Relación

Desde colapsos granulares hasta olas en aguas poco profundas: un modelo de predicción para la formación de tsunamis. Vladímir Sarline et al. Fluidos de revisión física, 13 de septiembre de 2022. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.094801

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