Уч. пособие Прогноз стихийных бедствий. Стихийные бедствия и возможности их прогноза
 Скачать 3.58 Mb.
|
|
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 тавляется, что указанное выше убедительно демо] ожности применения ISg для установления ист влияния ОЯП на жизнь людей. Та потенциальных потерь для крупнейших природных катает за период 1975-1995 гг. Катастрофа S IS ISg ISc Раш по It Землетрясение 66830 2,25 -0,05 2,3 1 Землетрясение 3660 0,98 -1,11 2,09 22 Засуха 2500 0,82 -1,17 1,99 24 Землетрясение 5770 1,18 -0,72 1.9 20 Пожары 25000 1,82 -0,07 1,89 5 Взрыв АЭС* 30010 1,9 0,06 1,84 4 Землетрясение 17330 1,66 -0,12 1,78 6 Землетрясение 17010 1,65 -0,07 1,72 7 Ураган 15010 1,6 -0,07 1,67 8 Наводнение 12010 1,5 -0,07 1,57 10 Ураган 11250 1,47 -Засуха -0,07 1,44 13 Ураган 8230 1,34 -0,07 1,41 14 Землетрясение 6860 1,26 -0,12 1,38 19 Землетрясение 1250 0,52 -0,82 1,34 35 Нефть (танкер -0,07 1,34 17 Землетрясение 7020 1,27 -0,07 1,34 18 Наводнение 7320 1,28 -0,05 1,33 16 Взрыв АЭС 8010 1,32 0,06 1,26 15 Наводнение 13360 1,55 0,37 1,18 9 Землетрясение 41270 2,04 0,86 1,18 2 Землетрясение 2730 0,86 -0,31 1,17 23 Наводнение 36570 1,98 0,85 1,13 3 Наводнение 1670 0,64 -0,47 1,11 30 Ураган 2350 0,79 -0,07 0,86 25 Землетрясение 10790 1,45 0,72 0,73 12 Землетрясение 1750 0,66 0,16 0,5 29 Засуха 2000 0,72 0,27 0,45 27 Наводнение 1760 0,67 0,25 0,42 28 Землетрясение 3850 1,01 0,72 0,29 21 Шторма 1540 0,61 0,44 0,17 31 Засуха 1500 0,6 0,72 -0,12 33 Наводнение 2000 0,72 0,85 -0,13 26 Нефть (трубопровод) 1300 0,53 0,72 -0,19 34 Наводнение 1510 0,6 0.,85 -0,25 32 й оценке 4. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗРУШИТЕЛЬНОЙ СИЛЫ КАТАСТРОФ Все катастрофы и стихийные бедствия производят разрушения. Масштаб разрушений зависит от характера поражающих факторов, которые воздействуют на объекты, находящиеся в зоне их действия например, затопление при наводнении или снежный завал от лавины, и от интенсивности опасного явления природы, которое приводит к образованию поражающих факторов (например, различная амплитуда землетрясения. Существует и зависимость масштаба разрушений от свойств самих объектов, подвергающихся воздействию (например, высотные здания, деревянные или саманные дома по-разному реагируют на частичное затопление. Зависимость потерь от состояния искусственных объектов региона или от готовности населения к прохождению ОЯП не относится к геофизической дизастологии. Этот вопрос является предметом изучения в науке о безопасности жизнедеятельности. Показатель разрушительной силы Зависимость масштаба катастрофы от интенсивности опасного явления природы, порождающего разрушения объектов, подчеркнута уже в работе Н.В. Шебалина. Установление зависимости степени возможного разрушения от интенсивности ОЯП, безусловно, является одной из важнейших задач дизастологии, но она может быть изучена только после того, как принято соглашение об измерении степени разрушений. Именно этому посвящен данный раздел. В формуле (2.8), предназначенной для количественной оценки потерь, разрушительную силу катастроф описывает последнее слагаемое. В соответствии сего определением Е = lg(a/ao), оно представляет собой десятичный логарифм отношения коэффициентов материальных или людских потерь за год в районе катастрофы при ее наличии (аи отсутствии (ао). Коэффициенты потерь людей и материальных ценностей приняты в первом приближении одинаковыми. Снять это ограничение будет нетрудно. Величина Е (коэффициент поражения) показывает, во сколько раз разрушения при ОЯП превосходят естественную убыль населения или материальных ресурсов района. Она ограничена не только снизу значением Е = 1, но и сверху, так как при полном уничтожении коэффициенты Оси а л уравнений (2.4) и (2.5) равны 1. Это значит, что для решения поставленной задачи измерения масштабов катастрофы следует начать с установления сопоставимой шкалы разрушений для разных поражающих факторов. Например, можно предположить, что землетрясение и торнадо, которые приведут водном и том же по подготовленности районе к одинаковым посте пени потерь последствиям, могут считаться одинаковыми по масштабу разрушений. Значение величины Е не может зависеть от характера поражающих факторов катастрофы, воздействующих на людей и материальные ценности, но зависит от интенсивности ОЯП. Таким образом, величина lg £ характеризует степень потерь по сравнению с нормальными условиями. Ясно, что минимальное значение lg £ равно нулю, когда число погибших при ОЯП людей в районе равно естественной смертности, а потеря материальных ценностей - установленным нормам амортизации капитала. При полных потерях аса) значение величины lg £ будет равно = max{-lg(ctc); -Для конкретности в дальнейших оценках принято, что 1 gEm = = -lg(Oc) и, поданным на 1980-1985 гг., смертность в мире составляет 11 челна. При этом значение lg Em равно 1,9586. Так что без значительной ошибки можно считать, что при полном исчезновении людей или материальных ценностей из района в течение 1 года значение lgEm = Отношение \gEf\gEm = Jc в дальнейшем будет называться показателем разрушительной силы природной катастрофы. Оно характеризует, какую долю от максимально возможной в течение года ее разрушительная сила имеет в зоне действия \ Для обычных условий, когда статистический учет потерь относится к годовому периоду отчетности, значение этой величины изменяется от нуля до единицы. Используя введенную характеристику и с учетом (3.1), приведем формулу (2.8) для индекса потенциальных потерь к виду = ISg + \g(S/So) + lg (i/i0) + 2 Jc. Следует иметь ввиду, что быстротекущие разрушительные процессы могут иметь значение Jc гораздо больше чем 2. 31 Правая часть выражения (4.1) показывает, что при изучении опасных явлений природы, сточки зрения геофизической дизасто- логии, следует особое внимание уделить оценкам площадей воздействия и продолжительностей катастроф. Кроме того, для каждого вида катастрофы следует выделить поражающий фактор и найти зависимость поражающей способности Jc от характеристики, описывающей интенсивность этого фактора. А вот значение показателя разрушительной силы для всех катастроф должно быть измерено единообразно, например, в баллах. Тогда эту величину можно будет использовать в формуле (4.1) для расчета индекса потенциальных потерь, обеспечивая тем самым единый подход к определению эффекта разных природных катастроф и стихийных бедствий. Как уже упоминалось, в некоторых отраслях геофизики были разработаны шкалы разрушений применительно к отдельным видам природных катастроф. Для землетрясений одним из примеров таких шкал является сокращенная Шейдеггером [4] шкала разрушений при землетрясениях Меркалли. Для смерчей существует и часто используется в разных странах шкала классификации их по интенсивности, принятая Метеорологической службой США. Интересно сопоставить эти шкалы, дополнив их широко известной шкалой измерения силы ветра в баллах Бофорта. Это можно сделать с помощью табл. При построении этой таблицы границы скоростей ветров немного изменены, чтобы улучшить согласование со скоростями ветров в смерчах. Это можно сделать, так как табл. 5 представляет собой только первую попытку получения совмещенной таблицы разрушений. В эту таблицу следовало бы включить еще, по меньшей мере, градации разрушений при пожарах и наводнениях. Вероятно, при расширении таблицы уточнятся и характеристики каждого балла разрушений. Для дальнейшего важно, что анализируя эту таблицу, можно прийти к выводу, что интенсивность разных катастроф можно сравнивать по их разрушительной силе. Последнюю можно выразить в баллах, например, шкалы М еркалли-Ш ейдеггера, как показано в табл. 5. Если это сделать, то балл катастроф окажется универсальной мерой степени разрушений Таблица Сопоставление шкал разрушений ветра, смерча и землетрясений Скорость ветра, м/с Категория смерчей Баллы скорости ветра Бофорта Шкала силы землетрясений Меркалли- Шейдеггера Балл Меркалли- Шейдеггера Показатель разрушительной силы катастрофы Ус, % нелинейная аппрокси мация кусочно линейная функция, Ус=0,24(/&- 5,8),% 1 2 3 4 5 6 7 0...3 До начала шкалы и менее Регистрируется только прибо рами 1 0,0 0 3,5...5 До начала шкалы - колышутся ветки поднимается пыль На верхних этажах слабое покачивание 2 0,0 0 5,5...8 До начала шкалы - поземка из песка В домах качаются люстры 3 0,0 0 8...10,5 До начала шкалы - качаются тонкие стволы деревьев Вибрация как от грузовика 4 0,0 0 11...13,5 До начала шкалы - качаются толстые сучья Ощущается вне домов всеми. До начала шкалы - всс деревья сильно раскачиваются, трудно ходить, начинаются песчаные бури Дрожание домов ощущается всеми - слабые разрушения повреждаются трубы заборы - шторм, многочисленные повреждения Повреждаются дома 7 48,1 53 33...49 F1 - умеренные разрушения срываются покрытия с крыш, сносит автомобили с дороги 5 - ураган, сильные повреждения и разрушения Разрушаются слабые дома Окончание табл. 5 1 2 3 4 5 6 7 50...69 F2 - срываются крыши вырываются деревья 15...17 Разрушаются дома обычного типа - сильные повреждения и разрушения крыш, стен тяжелые вагоны перевора чиваются Не продол жается Общее разрушение зданий 10 96,1 100 93... 116 F4 - опустошительные разрушения разрушаются тяжелые дома Не продол жается Г нутся рельсы. ..142 F5 - сверх опустошительные разрушения поднимаются тяжелые дома Не продол жается Полное разрушение зданий 12 99,4 НЮ Тогда можно от визуальной характеристики разрушений перейти к количественной оценке последнего слагаемого в формуле (4.1). Из таблицы видно, что ощутимые разрушения начинаются только тогда, когда явление достигает 6 баллов по шкале Меркалли-Ш ейдеггера. Приняв за ноль уровень разрушений примерно при такой интенсивности и учитывая, что разрушения при 10 и более баллах уже практически полные, те. одинаковы по экономическим последствиям, можно получить аппроксимационную формулу для перевода балла разрушительной силы в показатель поражающей способности Jc. Такая формула имеет вид Jc = th[{Jb - JbO) + (|Jb - ЛЮ|)/2с] 0 Jb< 6 0 ,2 4 ( J b - 5 ,9 ) 5 ,9 < J b < \0 (4.2) 1 Jb> По этой формуле показатель разрушений будет вычислен в долях единицы. В ней введено обозначение Jb для балла разрушений по шкале Меркалли-Шейдеггера, а также два нормирующих параметра JbO, выбранный равными с равный 2,1. Значения показателя разрушений при этих параметрах приведены в м столбце табл. 5. Для простых оценок можно использовать кусочно-линейную формулу. Хотя, как видно из сравнения столбцов 6 иона дает слишком резкое нарастание разрушений при больших баллах. Сравнение разрушительной силы природных катастроф Использование формулы (4.2) позволяет рассчитать индекс потенциальных потерь IS по формуле (4.1), используя только информацию об опасном явлении природы. В самом деле, эта формула примет вид = I S g ( t X ) + ISc. ф, X) = lg{a,opcri + В/В0]П500}. (4.4) ISc = lg(S/S0) + Ig(T/x0) + 2th[(Jb - 5.9) + (\Jb - 5,9|)/4,2], (Величина ф, А) представляет собой функцию только географических координат, так как она описывает влияние на потери от катастрофы экономических и демографических особенностей района или страны. Величина ISc представляет главные характеристики природных катастроф площадь распространения S, продолжительность т и разрушительную способность Jb в баллах. Все эти данные можно собрать используя только хорошо документированные данные о ранее пережитых человечеством природных катастрофах и стихийных бедствиях и достижения отраслей геофизики изучающих конкретные опасные явления природы. Интересно провести сравнение наиболее известных ОЯП по степени опасности на основе этого индекса. Такие оценки приведены в табл. 6. Они получены по искусственно сконструированным данным. Например, субъективными являются оценки разрушительной силы наводнения и засухи. Вместо грозы взяты оценки для града, причем учтено, что по определению, оценки должны быть отнесены к площади 1000 км, а площади градобитий редко достигают таких размеров. Однако результаты ранжирования по полученным индексам ISc вполне согласуются с общепринятыми оценками. Таблица показывает, что наиболее опасные для человечества катастрофы - это те, которые имеют большую длительность и площадь распространения, те. засуха, наводнение, лесной пожар. Землетрясение может быть очень опасным, только если происходит в районе расположения городов. Но учет повышенной концентрации городского населения в формуле для индекса ISg пока не произведен. Таблица Индекс потенциальных потерь для основных ОЯП Опасное явление природы Харак терный линей ный размер, км Продолжитель ность Площадь в тыс км2) Пре дельные разру шения, баллы So ьо 3 2Jc ISc в часах в годах Град/гроза I I 1,14Е-04 1.00Е-03 6 -3 -3,9 0,1 -6,8 Лавина 1 0.1 1,14Е— 05 1,00Е-С3 9 -3 -4,9 1.8 -6.1 Торнадо 1 1 1.14Е-04 1.00Е-03 11 -3 -3,9 2 -4,9 Оползень 10 1 1.14Е-04 ] ,ООЕ— 01 10 -1 -3.9 1,9 -3 Землетрясе ние 100 0,1 1.14Е-05 1,OOE+Ol 12 1 -4,9 2 -1.9 Ураган 100 10 1.14Е-03 1.00Е+01 9 1 -2,9 1,8 -0,1 Наводнение 1000 240 2.74Е-02 1 ,ООЕ+О3 8 3 -1.6 1.5 2,9 Лесной по жар 1000 240 2.74Е-02 1.00Е+03 10 3 -1.6 1,9 3,3 Засуха 1000 26280 3.00Е+00 1.00Е+03 6 3 0,5 0,1 3,6 36 5. ОСОБЕННОСТИ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ОПАСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИРОДЫ С ПОЗИЦИЙ ДИЗАСТОЛОГИИ В дальнейшем изложении уже не обойтись без рассмотрения конкретных опасных явлений природы, вызывающих природные катастрофы и стихийные бедствия. Специалист по расчету и прогнозу таких явлений должен знать их все и о каждом иметь достаточные для работы сведения. Однако перечень таких ОЯП очень длинен, а сведения, которые могут понадобиться в работе, многообразны и охватывают почти весь диапазон знаний современной геофизики. Поэтому полезно предварить описание ОЯП выявлением необходимого набора сведений о них. Для этого неизбежно следует применить какую-либо систематизацию. Поскольку характер систематизации зависит от ее целей, то примем за основу требование включать в описание ОЯП только те сведения, которые могут быть полезны при оценке потенциального ущерба от его возникновения в некотором районе. Система, состояние, состав. Типы катастроф Как уже было сказано, катастрофы являются нештатным режимом функционирования системы "машины - человек - окружающая среда. Изучением систем занимается целый ряд наук, которые можно объединить под общим название "тектология" , или системный анализ. В соответствии с требованиями этой отрасли наук, система должна быть отделена от внешней среды границей, должна иметь состав (каждая система состоит из компонент) и структуру (компоненты системы связаны друг с другом определенными отношениями те. между компонентами установлены связи. Границы систем, как правило, определить легко. Составом и структурой каждой системы занимается изучающая ее ветвь наук. Если меняется состав компонент, то она превращается в другую систему, те. исчезает. Если система теряет структуру, то это означает, что она разрушается. Если внутри системы у компонент возникают новые связи (образуется внутренняя структура, то этот процесс способствует образованию внутренних границ системы и также является распадом. Этот термин предложил вначале в. русский ученый и политический деятель А.А. Богданов Опасные явления природы для всех биологических, социальных и технических систем являются проявлениями воздействия на них среды. При таких воздействиях среда может менять состав (например, в результате загрязнения, может разрушаться (например, в результате обвалов или осыпей, наконец, в ней могут образовываться внутренние структуры (например, смерчи. Впервые на это различие в типах изменения внешней среды, которые нужно учитывать при организации функционирования искусственных систем внештатных ситуациях, обратил внимание В.Н. Шебалин. Он писал, что катастрофы могут быть трех типов. Во-первых, они могут быть вызваны скачкообразным переходом природной среды из одного устойчивого состояния в другое (транзитивные катастрофы. Во-вторых, они могут происходить вследствие распада внутренних связей окружающей объект среды (деструктивные катастрофы. В-третьих, они могут быть вызваны образованием в среде внутренних подсистем, которые могут оказать на объект мощное поражающее воздействие (структуирующие катастрофы). Примерами транзитивных катастроф являются опускания участков суши вблизи побережий или образование густых туманов зимой Примерами катастроф деструктивного типа являются обвалы, оползни, обрушение берегов. Примерами структуирующих катастроф являются интенсивные атмосферные вихри такие, как ураганы или торнадо. К таким катастрофам можно отнести также и сели. Интересно, что указанные типы изменения систем изучаются в теоретической физике разными разделами. Например, в теории динамических систем пользуются таким определением "катастрофами называются скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Преобразования состояния систем, связанные с разрушением внутренних связей, являются предметом термодинамики необратимых процессов. Самопроизвольное возникновение локальных структур в однородных средах изучает синэргетика. Все сказанное значит, что тип изменения окружающей среды приводящий к опасному явлению и далее к катастрофе, является важной информацией 5.2. Геосферы - источники природных воздействий Существуют разные способы классификации причин природных катастроф. Однако для того чтобы сформулировать в дальнейшем их определения, представляется наиболее удобным сначала рассмотреть физическое состояние вещества среды, в которой развиваются природные явления. Любое вещество, как известно из физики, может находиться в четырех видах состояния (твердое, жидкое, газообразное и плазма. В природе все эти состояния присущи веществу, образующему нашу планету. Под влияние гравитации вещество организовано геометрически в виде концентрических областей, называемых обычно геосферами. Рис. 3. Схематичное изображение геосфер Земли Схематически геосферы показаны на рис. 3. Вещество каждой из геосфер находится в различном физическом состоянии. Считая от центра Земли, первой геосферой является твердое внутреннее ядро. Его окружает жидкое основное ядро. Вещество в нем обладает высокой электропроводностью, ив нем постоянно циркулируют круговые электрические токи, которые, по-видимому, являются генератором магнитного поля Земли. Характер функционирования этого генератора может меняться, что приводит к скачкообразной смене магнитной полярности. Жидкое ядро окружено мантией, вещество в которой находится в твердом, пластичном состоянии. Механические напряжения в мантии неоднородны. Срывы напряжений могут приводить к колебаниям всей толщи Земли выше мантии. Выше мантии располагается астеносфера, сильно разогретая за счет выделения тепла от радиоактивного распада неустойчивых изотопов, рассеянных в ее массе. Местами температура там достигает точки плавления вещества. Там образуются очаги магмы. Вещество астеносферы еще более пластично и подвижно, чем вещество мантии, поэтому возникающие напряжения быстро исчезают, вызывая деформации слоя, покрывающего астеносферу. Этот слой называется литосферой. Вещество в нем находится в твердом кристаллическом состоянии. Вещество литосферы подвергается различным преобразованиям. Самыми грандиозными из них являются движения, которые называются тектоническими. Тектонические движения принято подразделять на две основные группы колебательные и дислокационные. Тектонические движения являются результатом перераспределения напряжений вещества литосферы. Напряжения возникают в результате локальной разгрузки участков литосферы, разуплотнения ее, выветривания и других процессов, в частности связанных и с деятельностью человека. Изменения напряжений вызывают дислокации (трещины, разрывы, которые разрывают литосферу на отдельные части (фракции, разной дробности. Самые крупные куски литосферы - это платформы. На некоторых из них располагаются континенты. Более мелкие части называются литосферными блоками. Все эти части плавая по астеносфере, испытывают горизонтальные и вертикальные перемещения. Под влиянием этого создаются особенности геологического строения районов. Впадины литосферы заполнены веществом в жидком состоянии, которое на Земле представляет собой водные растворы различной концентрации. Вода является главным естественным растворителем. Она вступает в химическое взаимодействие с веществом литосферы, в результате которого на поверхности литосферы, во- первых, образуется новый твердый осадок - вещество, образующее кору выветривания (например, глины, а во-вторых, вводе накапливаются растворимые соли. Вещество коры выветривания находится в сыпучем или пластичном состоянии и сравнительно легко перемещается под воздействием внешних сил. Над океанской и континентальной частями литосферы происходит растворение водой различных веществ. Поэтому состав растворов оказывается разным. Так образуются две основные водные массы гидросферы Земли - пресная вода суши и соленая вода океана (названия воды отражают только вкусовые реакции человека на химический состав вод. Химически чистая вода на Земле может появляться только в результате конденсации водяного пара в атмосфере. Атмосфера представляет собой оболочку Земли, окружающую литосферу и гидросферу, состоящую из смеси газов вулканического и органического происхождения, и водяного пара термодинамического происхождения. Нижняя часть атмосферы, в которой происходят активные процессы термодинамического цикла водяного пара, называется тропосферой. Средняя часть атмосферы, в которой происходит важнейшая фотохимическая реакция - образование озона, называется стратосферой. В обеих этих частях атмосферы соотношение газов в газовой смеси, которую принято называть воздухом, является постоянным. Выше стратосферы преобладают процессы гравитационного разделения газов, состав атмосферы становится переменными она представляет собой смесь разреженных и ионизированных газов - ионосферу. Вблизи земной поверхности в обычных условиях плазма не встречается. Но выше ионосферы концентрация газов очень мала, а ионизация почти полная. Эти условия характерны для радиационных поясов Земли, которые принято называть магнитосферой. Деятельность человека протекает, главным образом, на границах коры выветривания литосферы, гидросферы и атмосферы. Кроме того, на Земле в естественных условиях не встречаются химически чистые вещества. Поэтому можно в данном тексте относить термин твердое вещество" к природным смесям веществ как неорганических, таки органических или составных (городские постройки, а также к смесям со льдом и, конечно, к самому льду. Твердое вещество на Земле, в зависимости от вида, может быть горючими негорючим. Оно может находиться вблизи температуры плавления (лед) или вблизи температуры возгорания (живое или ископаемое органической вещество дерево, нефть, газ, уголь. Свойства твердого вещества земной коры изучаются в геологии, оно называется грунтом. Твердое вещество может находиться в состоянии разной раздробленности. Самой крупной фракцией следует считать блоки При изучении катастроф к ним можно отнести не только литосферные блоки, но и ледники, леса, саванны. Они имеют подвижные границы, вдоль которых происходит их более или менее медленное движение или химические или физические преобразования. Например, горизонтальное движение, подъем или опускание литосферных плит или слоев грунта, таяние или подвижки ледников, горение лесов вовремя пожаров. Внутри блоков происходит образование трещин или пустот. Перемещение плит происходит медленно, по сравнению с продолжительностью жизни человека, поэтому подвижки блоков неестественны для человека. Такие состояния являются источником опасности и могут приводить к природным катастрофам. Классом ниже блоков является фракция твердого вещества, которую можно назвать массивами. К ним относятся глыбы скального грунта или льда - айсберги. Главный процесс, связанный с катастрофами от массивов, - это их перемещение. Говоря о перемещении следует различать собственное движение (далее - просто движение, например, падение глыб, и транспортировку глыб движущейся средой, например, плавание айсбергов. Еще более мелкой фракцией твердого вещества являются обломки. К ним относятся камни и мелкие льдины. Катастрофы возникают при накоплении обломков или их перемещении. Перемещение обломков, как и глыб, может происходить, например, в виде камнепадов в горах) или за счет транспортировки (перенос льда течением реки. Накопление может возникать только за счет перемещения. Наконец, самыми мелкими частицами твердого вещества можно считать песчинки или снежинки. Катастрофы возникают за счет движения, транспортировки, а также при накоплении или образовании на месте (замерзание льда). Жидкое вещество на Земле также может быть неоднородно по физическому составу. Сточки зрения геофизической дизастологии, можно выделить лаву, грязь, воду, капли. Природные катастрофы возникают при движении этих геофизических жидкостей, при их накоплении (наводнения) или, напротив, недостатке (засухи, атак же под воздействием их физических или химических свойств (возгорание попавших под лаву построек, непроходимость дорог вследствие образования грязи (распутица) или замерзания (обледенение В силу большого содержания воды, все природные растворы находятся вблизи точки смены фазового состояния (СВ газообразном состоянии обычно наблюдаются смеси природных газов с атмосферным воздухом, которые в дальнейшем именуются просто воздухом. Смеси воздуха с мельчайшими фракциями твердой фазы или воды, играющие большую роль в возникновении катастроф, можно, хотя и не очень строго, назвать аэрозолями К ним относятся смесь воздуха и песка (пыль, снежная пыль, воздух тумана) и водяных облаков (смесь капель и воздуха, воздух дождевых облаков (смесь снежинок, капель и воздуха. Катастрофы возникают при образовании этих смесей (туман, смог, при движении их (пыльная буря, метель, а также при их самоликвидации выпадение осадков). Нельзя не отметить, что даже в отсутствии взвесей воздух может вызывать катастрофы. Во-первых, это происходит при быстром движении (ветер, а во-вторых, за счет изменения физических свойств (похолодание или потепление, увлажнение или высыхание). Сведения о геосфере, в которой возникает предпосылка опасного природного явления, являются важной информацией, так как для каждого из них существует особый набор физических параметров, которые описывают его состояние. Состояние разных геосфер регистрируется разными сетями наблюдений. Измеренные значения этих параметров позволяют отделить нормальное состояние от аномалий и оценить степень аномальности состояния. Это важно, так как человечество выработало много разных приспособлений к изменениям состояния среды, и только значительные аномалии могут быть источником опасности 5.3. Виды природных воздействий Кроме геосферы - источника опасного явления природы, следует знать, какие геофизические процессы привели к его образованию. Поскольку обычно ОЯП являются результатом взаимодействия нескольких процессов разных пространственно-временных масштабов, то и сведения о них следует излагать в определенной последовательности. Сказанное можно пояснить примером разбора причин наводнения в районе г. Ленска весной 2001 г. Это наводнение произошло в результате повышенного притока вод в район за счет аномально интенсивного снеготаяния выше по течению, которое сопровождалось сильным образованием заторов ниже по течению. Усиленный приток талых вод был вызван во-первых, повышенным количеством дождей осенью 2000 г. в предледоставный и ледоставный периоды, во-вторых, суровой зимой с повышенным, по сравнению с нормой, количеством выпавшего снега, в-третьих, ясной и теплой погодой в период ледохода в верховьях Лены весной 2001 г. Рельеф в районе Ленска способствует систематическому образованию заторов уклон дна резко уменьшается, долина реки сужается и делает крутой поворот. Метеорологические условия способствовали образованию заторов весной 2001 г. Лед на реке был толстый, так как зима была холодной. В период ледохода в верховьях Лены среднесуточная температура воздуха в районе Ленска была относительно низкой и колебалась, вследствие чего днем лед на реке таяла ночью восстанавливался. Таким образом, в период ледохода в Ленске сложились очень благоприятные условия для аномально сильного притока воды и длительного существования мощных заторов льда. Именно это и вызвал резкий и аномально высокий подъем воды, те. наводнение. Этот пример демонстрирует важность систематизации при изложении фактов, касающихся опасных явлений природы. Прежде всего нужно дать определение сути ОЯП. Следует указать, какие причины привели к локализации ОЯП в заданном районе. Нужно объяснить, что привело к возникновению этих причин (как правило, при этом указываются условия, сложившиеся в географическом регионе, охватывающем район возникновения ОЯП). Эти условия обычно оказываются аномалиями естественных процессов планетарного масштаба, те 4 складываются за время, сравнимое с сезоном, а в пространстве - с площадью естественных синоптических районов. Поражающие факторы природных воздействий При рассмотрении опасного явления природы важно указывать те факторы, которые создают опасность для людей и материальных ценностей. (В случае Ленского наводнения этим фактором было затопление) Такие факторы в дальнейшем будем называть поражающими. Гидрометеорологические наблюдения фиксируют не возникновение опасности, а достижение какой-либо из наблюдаемых величин критических значений. Длительная практика гидрометеорологического обеспечения хозяйственной деятельности привела к тому, что был отработан список значений океанологических, гидрологических и метеорологических характеристик, достижение которых но определению является особо опасными явлениями. В настоящее время в официальных документах их называют также "стихийными гидрометеорологическими явлениями. Однако перечень поражающих факторов, которые превращают эти явления в источники опасности, известен гидрометеорологам недостаточно точно. Полный список критических значений гидрометеорологических величин приведен в нормативных документах. Выдержки изданы в табл. Таблица Типовой перечень опасных природных гидрометеорологических явлений № п/п Вид опасного явления природы Определение 1 2 3 ] Сильный ветер Скорость ветра (считая порывы) - не менее 25 мс, на акватории океанов, арктических и дальневосточных морей - не менее 30 мс, на побережьях морей ив горах - не менее 35 м/с 2 Смерч Сильный вихрь с приблизительно вертикальной осью, имеющий вид темного оолба или воронки, направленной от облака к поверхности земли (воды) 3 Очень сильный дождь Выпадение за 12 часовне менее 50 мм осадков в горах - более 30 мм) 4 Сильный ливень Выпадение не более чем за 1 час не менее 30 мм осадков 5 Очень сильный снег Выпадение за 12 часовне менее 20 мм осадков в зимнее время 6 11родолжительныс сильные дожди Выпадение не менее 100 мм осадков за период более 12 ч но менее 48 ч 7 Крупный град Осадки в виде частиц плотного льда диаметром не менее 20 мм Продолжение табл. Сильная метель Перенос снега над поверхностью земли ветром со средней скоростью не менее 15 мс, понижающий видимость дом и менее 9 Сильная пыльная буря Перенос больших количеств пыли или песка над поверхностью земли ветром со средней скоростью не менее 15 мс, понижающий видимость дом и менее 10 Сильное гололед но-изморозевос отложение на про водах Замерзание переохлажденных капель дождя на поверхности земли и на предметах с образованием слоя льда 11 Сильный туман Сильное помутнение воздуха, вызванное взвешенными каплями воды, с видимостью не болеем (на море - менее 100 м) 12 Сильный мороз В период с ноября по март минимальная температура достигает опасных значений для заданного района 13 Сильная жара В период с мая по август максимальная температура достигает опасных значений для заданного района 14 Чрезвычайная пожароопасность Показатель пожарной опасности (сумма произведений температуры воздуха назначение дефицита точки росы в 15 ч, определяемая за все дни, считая от последнего с осадками не менее 3 мм) превышает 10 Сход лавины Масса снега, падающая или сползающая с горных склонов и увлекающая на своем пути новые массы снега 16 Заморозки Понижение температуры воздуха или поверхности почвы до отрицательных значений при положительной среднесуточной температуре в период активной вегетации сельскохозяйственных культур, приводящее к их повреждению 17 Переувлажнение почвы (подтопление территории заболачивание) Образование участков, нормальной эксплуатации которых препятствует либо малая глубина залегания подземных вод, либо слабая проточность, или застой воды в поверхностных горизонтах фунта 18 Суховей Сохранение в течение трех и более дней подряд хотя бы в один из сроков наблюдений каждого дня значений относительной влажности не более 30% при скорости ветра более 7 мс и температуре выше Св период цветения, налива, созревания зерновых культур 19 Засуха атмосфер ная Отсутствие эффективных осадков (более 5 мм в сутки) в вегетационный период года не менее 30 дней подряд при максимальной температуре выше Св южных районах - выше 30°С) 20 Засуха почвенная В вегетационный период года не менее 30 дней подряд запасы продуктивной влаги в слое почвы 0-20 см составляют не более 10 мм 21 Половодье Ежегодный подъем уровня воды до отметок обеспеченностью менее 10% 46 Окончание табл 7 1 2 3 22 Зажор Скопление шуги и внутриводного льда вовремя осеннего ледохода ив начале ледостава, создающее стеснение русла на отдельном участке реки и вызывающее подъем уровня воды до отметок обеспеченностью менее 10% 23 Затор Скопление льда вовремя ледохода, создающее стеснение русла на отдельном участке реки и вызывающее подъем уровня воды до отметок обеспеченностью менее 10% 24 Паводок Быстрый подъем уровня воды до отметок обеспеченностью менее 10%, возникающий нерегулярно 25 Сель Паводок сочень большим (до 75% общей массы) содержанием минеральных частиц и обломков горных пород, характеризуемый продвижением лобовой части в форме вала из воды и наносов большой разрушительной силы 26 Низкая межень Понижение уровня воды в водоеме (гаже навигационных уровней и проектных отметок водозаборных сооружений 28 Цунами Опасная волна, приводящая к затоплению прибрежных населенных пунктов, береговых сооружений и других хозяйственных объектов 30 Сильное волнение Высота волн достигает значений, признаваемых в данном районе опасными для мореплавания, промысла и сооружений (в прибрежных районах высота волн не менее 4 м, в открытом морене менее 6 м, в океане - не менее 8 м Обледенение судов Отложение льда на частях воздушных или морских судов а также на проводах и других объектах 32 Нагонные явления Уровень воды выше опасных отметок, при которых затопляются населенные пункты, береговые сооружения и объекты 33 Тягун Горизонтальные колебания пришвартованных судов, вызванные колебанием воды в портовой акватории 34 Раннее появление льда Появление ледяного покрова или припаяв ранние сроки повторяемостью не чаще 1 раза в 10 лет 35 Интенсивный дрейф льда Дрейф льдин со скоростью не менее 1 км/ч 36 Сжатие льда Сжатие льда с интенсивностью 3 балла Опасное появление льда Появление льда, непроходимого судами и ледоколами в период навигации на судовых трассах ив районах промысла 39 Опасность отрыва льда Опасность отрыва прибрежных льдов в местах выхода людей на лед 40 Навалы льда Нагромождение льдин на берегах 41 Резкое ухудшение радиационной обстановки Проникновение опасных волн космического и солнечного излучения к поверхности Земли 42 Резкие изменения ионосферы (магнитная буря) Быстрые и сильные колебания характеристик земного магнетизма, резко нарушающие его плавный суточный ходи продолжающиеся несколько часов и даже дней Отметим важную особенность приведенного перечня. Ряд критериев относится к экстремальным значениям одного физического параметра (скорости ветра, температуры, интенсивности и вида осадков, видимости, уровня воды, наличия льда, волнения, обледенения. Но значительная группа критериев представлена названиями самих ОЯП (метель, пыльная буря, суховей, пожарная опасность, сели, лавины, тропические циклоны, цунами, тягун). Это имеет место потому, что некоторые из ОЯП представляют собой совокупность экстремальных значений нескольких физических параметров, которые одновременно превзошли критические пороги. Например, тропический циклон представляет собой область, в которой имеет место превышение критериев по скорости вегра, по интенсивности осадков и возникают волны высотой болеем. Отсюда следует, что прогнозируя названное ОЯП, мы ожидаем ситуацию, когда возникает несколько природных поражающих факторов сильный ветер, сильный дождь и особо опасное волнение). Следует иметь ввиду, что перечисленные критерии ОЯП относятся в Российской Федерации к особо опасным только в тех случаях, когда они могут достигать указанных критериев на территории не менее одной трети субъекта федерации (области, края, республики или города с населением не менее 100 тыс, или нескольких административных районов с интенсивным сельским хозяйством промышленностью, а также акватории моря (крупного порта. При этом продолжительность явления должна быть не менее 6 ч (точное значение не прогнозируется. Время прохождения или возникновения ОЯП указывается с точностью до половины дня или ночи. Значения критериев ОЯП могут быть уточнены в конкретных географических районах с учетом их повторяемости и влияния на производственную деятельность отдельных отраслей хозяйства горнодобывающая промышленность, добыча нефти, чувствительность возделываемых в районе сельскохозяйственных культур или видов животноводства. Все уточнения проводятся только при согласовании с правительственными органами. Подход к систематизации сведений об О Я П Изложенное выше приводит к выводу о том, что, занимаясь прогнозированием опасных явлений природы, специалист должен знать следующий круг вопросов 1) определение опасного явления природы) параметры состояния геосфер, особенно те, которые участвуют в определении ОЯП; 3) физические процессы, формирующие знак изменения параметров состояния) факторы, которые содействуют сохранению знака изменения состояния в течение достаточного для образования ОЯП времени) условия, содействующие усилению тенденции к росту и ослаблению тенденции к убыванию параметров состояния, влияющих на ОЯП; 6) условия совмещения благоприятных для ОЯП тенденций разных параметров состояния и их взаимного усиления, что создает экстремальную геофизическую ситуацию) ожидаемые значения параметров ОЯП, превращающихся в поражающие факторы и оценку интенсивности возможной природной катастрофы) географическую локализацию возникающей экстремальной геофизической ситуации, вероятностные характеристики ее перехода в ОЯП в рассматриваемом регионе) характерные пространственно-временные масштабы ОЯП; 10) возможный ущерб при переходе ОЯП в природную катастрофу. В кратком описании ОЯП, приведенном ниже, сделана попытка осветить этот круг вопросов. Для каждого рассматриваемого явления приведены такие сведения название ОЯП в соответствии с общепринятой терминологией определение по справочникам или словарям дисциплины, изучающей явление описание экстремальной геофизической ситуации, предваряющей возникновение ОЯП; • краткая характеристика причин, которые вызвали эту ситуацию процесс, который может явиться поводом для возникновения ОЯП; • условия в районе, которые благоприятствуют развитию ОЯП; • вторичные ОЯП, которые могут развиться благодаря рассматриваемому виды разрушений, которые может причинить ОЯП. 49 Первые пункты приведенного списка сведений не вызывают затруднений. Следует указать, что в качестве источников определений были использованы классические справочники по нужным дисциплинам [6, 7, 8, Для того чтобы конкретизировать термин экстремальная геофизическая ситуация, можно воспользоваться уже применяемыми определениями. Так, согласно гидрологическому словарю АИ. Чеботарева [8], катастрофический паводок - это "паводок (половодье) редкой повторяемости. В справочнике [ 6 ]: "катастрофическая лавина. 1. Лавина редкой повторяемости. 2. Лавина, вызвавшая значительный материальный ущерб. Там же указано, что значительная селеактивность определяется как сход селей не реже одного раза влет. Все это наталкивает на мысль, что при опасном явлении погоды возникают условия, которые не возникают ежегодно. Иначе говоря, за экстремальную геофизическую ситуацию (ЭГС) можно принять природные условия, характерные для среднего многолетнего экстремума (максимума или минимума в зависимости от вида ОЯП), того параметра (параметров) состояния, который (-ыс) определяет (ют) ОЯП в изучаемом районе. Такое определение имеет и социально-экономическое обоснование. Люди, населяющие район, обязательно создают себе условия существования, защищающие их от обычно встречающихся экстремумов состояния окружающей среды. Принятое определение экстремальной геофизической ситуации (ЭГС) позволяет единообразно отвечать на вопрос, поставленный в п. 4 вышеприведенного списка. Причины ЭГС - это процессы, формирующие обычно ежегодные экстремумы параметров состояния природы. Для того чтобы правильно описать пункты 4, 5 и 6, удобно при анализе каждого явления учесть основные положения теории составления динамических систем, использованной при исследовании проблем глобальной динамики. Согласно этим принципам проектирования систем, их состояние описывается параметрами, которые называются уровнями (переменными) и темпами (скоростями изменения переменных Этот метод математического моделирования получил название "построение резервуарных моделей. Дж. Форрестер. Мировая динамика. М Наука, 1978. - 264 с Используя резервуарные модели, рекомендуется выделять темпы двух родов - положительные и отрицательные. Первые приводят к росту уровней, вторые к убыванию. Зависимости между темпами и уровнями описываются системами нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений, представляющих структуру системы и обратные связи. Обратные связи по Форрестеру моделируют наличие усилителей в системе. Подходя с этой точки зрения кана лизу образования ЭГС, следует отдельно описать процессы, благоприятные для роста уровня, и процессы, способствующие уменьшению уровня. Понятно, что выход значения уровня за пределы среднего экстремума может быть связан стем, что темпы роста и убывания оказались несбалансированными. В обычных условиях при экстремальных значениях параметра состояния, характеризующего ОЯП, темпы, благоприятные для развития ОЯП, оказываются меньше, чем темпы, благоприятные для демпфирования. Выявление причин сохранения благоприятных для развития ОЯП темпов, или, наоборот, причин для ослабления демпфирования - вот что составляет основную задачу при заполнении п. Перейдя к заполнению п. 6, рекомендуется сопоставить геотекто нические, геологические, геоморфологические, геокриологические и гидрогеологические характеристики районов с большими и меньшими повторяемостями и интенсивностями исследуемого ОЯП. Напомним, что геотектоника позволяет оценить активность эндогенных процессов в изучаемом районе. Геологические свойства - это характер грунтов скалистые или дисперсные, их физические и химические свойства, структура и текстура. Геоморфологические свойства - это высота, уклон и строение рельефа района. Геокриологические свойства - это глубина промерзания грунтов и их реакция на размораживание. Наконец, гидрогеологические свойства района - это сведения о режиме подземных води влагонасыщенности грунтов. Все эти свойства могут, конечно, не одновременно, но часто сочетаясь, усилить благоприятные для развития ОЯП тенденции или ослабить демпфирующие. Пункты 7 и 8 списка информации об ОЯП, которую должен иметь прогнозирующий специалист, понятны и могут быть заполнены с помощью учебной и методической литературы 6. ПЕРЕЧЕНЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПАСНЫХ ЯВЛЕНИЙ ПРИРОДЫ Перечень природных катастроф очень велик. Невозможно водном учебном курсе достаточно полно описать физические, математические и географические их особенности. Для получения исчерпывающих описаний следует обращаться к учебниками учебным пособиям по дисциплине, изучающей причины этих явлений. Для удобства ориентации в этих дисциплинах все ОЯП сгруппированы по разделам науки классам процессов, изучаемых в этих разделах. Ввиду того, что ряд явлений относится к стыку наук, разбиение не является общепринятым. Идентификаторы классов и разделов приведены в табл. Таблица Идентификаторы, примененные для кодирования научной принадлежности ОЯП Код раздела |