阿拉斯加近海发生一场强烈地震,导致夏威夷海滩上的游泳者数十人丧生!这是天方夜谭的传闻?还是科幻小说的虚构?不!是活生生的现实——发生在1962年的真实故事。1985年我给研究生开讲“水波动力学”以来,至少给500人次讲过这个故事。需要声明的是:故事的原创者不是本人,而是麻省理工学院的梅强中教授,他1981年受中科院副院长周培源之邀,在北京的应用数学讲座中讲授“水波动力学”时(同时受邀讲其它问题的有易家训、吴耀祖教授),就曾绘声绘色地讲述过此事;其实,他也不是原创,而是源于一位流体力学家Kajiura在1962年写的一篇文章。
阿拉斯加与夏威夷相距几千公里,是什么样的幕后黑手,能把阿拉斯加的灾害“抓起来”加害于夏威夷欢乐的度假人群?是海水,海水中的特长波浪——海底地震激发的地震海啸(tsunami)!
大家还记得2004年的圣诞前夜发生的印度洋大海啸吧!几十万人顷刻之间被巨浪吞啮了生命,高楼大厦在海啸中摧枯拉朽地倒塌!这场灾难中出了一位传奇式的九岁的英国小姑娘特里莎,不知各位是否有印象?当她在出事的海域随父母游泳时,发现海水突然变浑浊,而且在不该退潮时海水突然大幅度后撤,她机灵地告诉父母:地震海啸要来了,跟我的老师讲过的情形一模一样!她父母相信她的话,还告诉周围人群,赶紧逃命!从而挽救了一批人的生命,小姑娘特里莎因此上了《泰晤士报》头条。
这一切是怎么回事?地震海啸为何有这种怪异的脾气?要阐释这一现象的理论工具很简单,只要用到最简单的水波动力学原理,甚至于不必借助于非线性的复杂表述。先做极其粗略的假设:水的波动是不可压缩的、无粘性、无旋的流动,在线性理论框架下,用到的数学工具特别简单:人们熟悉的积分变换。只要知道地震扰动的形式,问题的解析解就可以很快求出来,只不过深层次的分析还要借助于更高级的数学工具——渐近分析,这里难以细表,在我校乐乎论坛卢东强研究员的博客“敦品力学”里有详细的渐近分析资料。
大家知道,“无风不起浪”,在平静似镜的水面上,突然涌起波浪,无非来自四种因素:水面有强风掠过,水面受到强烈冲击(如舰船驶过、扔下炸弹等),水面突然拱起或下沉,水底突发强烈扰动(如海底地震、海底火山爆发等)。看起来似乎复杂,但若用上述数学描述,这四种因素如同“一门四兄弟”,可以一视同仁地进行处理。也就是说,地震海啸导致的灾难跟海面上扔下一枚炸弹一样,可以类似地进行数学分析。
采用科学方法论,我们可以把其它因素搁置起来,仅仅考虑地震海啸一种因
素,经过严密的数学分析后发现:
1)只有一定型式的海底地震才会引发地震海啸;对称型的地震扰动不会引起海啸,而非对称型的扰动则容易导致海啸;
2)地震海啸是一种极长的波,衰减得极慢,所以,在阿拉斯加沿海海底地震产生的海啸,可以经过“长途奔袭”,传播到夏威夷海滩;
3)地震海啸的先导波的形式很怪,它可以用一种特别的特殊函数——艾里函数(的导数)来描述,它是一个“准周期函数”,周期很长,波幅衰减得很慢,最要命的是:一开始是一个巨大的塌陷,就是小姑娘特里莎看到的“意外退潮”,这实际上给游泳者一个“迷人的陷阱”,促使他们盲目游向海洋深处;接着,“索命鬼”来了,后面的浪头一个高过一个,没有多久,就可增加到十米、几十米,这时再想逃命,就为时已晚了!
所以,有一点流体力学知识,有时会给你一个“护身符”,特里莎的老师的话很有科学依据,所以她能在地震海啸到来之时挽救一批人的性命。我想,如果真正听懂我的水波动力学课的年青人也在那个现场,他们也能够成为“救人明星”。
写于2010年8月23日
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