En ny NASA-studie utmanar en långvarig teori om att tsunamier bildas och får sin energi mestadels från vertikala rörelser av havsbotten.

Ett obestridt faktum var att de flesta tsunamier beror på en massiv förskjutning av havsbotten - vanligtvis från subduktion, eller glida, av en tektonisk platta under en annan under en jordbävning. Experiment utförda i vågtankar på 1970-talet visade att vertikal upplyftning av tankens botten kunde generera tsunamiliknande vågor. Under det följande decenniet, Japanska forskare simulerade horisontella havsbottenförskjutningar i en vågtank och observerade att den resulterande energin var försumbar. Detta ledde till den nuvarande utbredda uppfattningen att vertikala rörelser av havsbotten är den primära faktorn i generering av tsunami.

Under 2007, Tony Song, en oceanograf vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, tvivlade på den teorin efter att ha analyserat den kraftiga jordbävningen på Sumatra 2004 i Indiska oceanen. Seismograf och GPS-data visade att den vertikala höjningen av havsbotten inte producerade tillräckligt med energi för att skapa en så kraftfull tsunami. Men formuleringar av Song och hans kollegor visade att när energi från den horisontella rörelsen av havsbotten togs in, all tsunamins energi togs med. Dessa resultat matchade tsunamidata som samlats in från en trio satelliter - NASA/Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) Jason, den amerikanska flottans Geosat Follow-on och Europeiska rymdorganisationens miljösatellit.

Ytterligare forskning av Song om jordbävningen på Sumatra 2004, med hjälp av satellitdata från NASA/German Aerospace Center Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) uppdrag, stödde också hans påstående att mängden energi som skapades av enbart den vertikala höjningen av havsbotten var otillräcklig för en tsunami av den storleken.

"Jag hade alla dessa bevis som motsäger den konventionella teorin, men jag behövde mer bevis, " sa Song.

Hans sökande efter fler bevis vilade på fysiken - nämligen det faktum att horisontell havsbottenrörelse skapar kinetisk energi, som är proportionell mot havets djup och hastigheten på havsbottens rörelse. Efter att ha kritiskt utvärderat vågtankexperimenten på 1980-talet, Song fann att de använda tankarna inte exakt representerade någon av dessa två variabler. De var för grunda för att återge det faktiska förhållandet mellan havsdjup och havsbottenrörelse som finns i en tsunami, och väggen i tanken som simulerade den horisontella havsbottenrörelsen rörde sig för långsamt för att replikera den faktiska hastigheten med vilken en tektonisk platta rör sig under en jordbävning.

"Jag började tänka på att dessa två felaktiga framställningar var ansvariga för den sedan länge accepterade men missvisande slutsatsen att horisontell rörelse endast producerar en liten mängd kinetisk energi, " sa Song.

Att bygga en bättre vågtank

För att sätta hans teori på prov, Song och forskare från Oregon State University i Corvallis simulerade 2004 Sumatra och 2011 Tohoku jordbävningar vid universitetets Wave Research Laboratory genom att använda både direkt uppmätta och satellitobservationer som referens. Precis som experimenten på 1980-talet, de efterliknade horisontell markförskjutning i två olika tankar genom att flytta en vertikal vägg i tanken mot vatten, men de använde en kolvdriven vågmakare som kunde generera högre hastigheter. De redogjorde också bättre för förhållandet mellan hur djupt vattnet är och mängden horisontell förskjutning i faktiska tsunamier.

De nya experimenten visade att horisontell förskjutning av havsbotten bidrog med mer än hälften av energin som genererade tsunamin 2004 och 2011.

"Från denna studie, vi har visat att vi inte bara behöver titta på den vertikala utan också den horisontella rörelsen av havsbotten för att härleda den totala energin som överförs till havet och förutsäga en tsunami, sade Solomon Yim, en professor i bygg- och anläggningsteknik vid Oregon State University och en medförfattare till studien.

Fyndet bekräftar ytterligare ett tillvägagångssätt utvecklat av Song och hans kollegor som använder GPS-teknik för att upptäcka en tsunamis storlek och styrka för tidiga varningar.

Det JPL-hanterade Global Differential Global Positioning System (GDGPS) är ett mycket exakt GPS-bearbetningssystem i realtid som kan mäta havsbottens rörelse under en jordbävning. När landet skiftar, markmottagarstationer närmare epicentret skiftar också. Stationerna kan upptäcka deras rörelse varje sekund genom realtidskommunikation med en konstellation av satelliter för att uppskatta mängden och riktningen av horisontell och vertikal landförskjutning som ägde rum i havet. De utvecklade datormodeller för att införliva dessa data med havsbottentopografi och annan information för att beräkna storleken och riktningen på en tsunami.

"Genom att identifiera den viktiga rollen för den horisontella rörelsen av havsbotten, vår GPS-metod uppskattar direkt den energi som överförs av en jordbävning till havet, " sa Song. "Vårt mål är att upptäcka en tsunamis storlek innan den ens bildas, för tidiga varningar."

Studien publiceras i Journal of Geophysical Research — Hav .