Japán, a földrengés és szökőár országa

Dr. Tóth László (MTA Geodéziai és Geofizikai Kutatóintézet)

2011. március 9-én egy 7.2-es magnitúdójú, meglehetősen erős földrengés pattant ki Japán keleti partvidékétől kb. 100 km-re a Japán-árok környékén, melyet ugyanazon a napon még három M>6 magnitúdójú „utórengés” követett. Akkor még senki sem sejtette, hogy március 11-én Japán modern kori történelmének legerősebb - egy M 9-es, amely egyik - legpusztítóbb földrengése keletkezik ugyanezen a területen, s ez előrengésekké „degradálja” a két nappal korábbi eseményeket. 

Bár Japán a világon a földrengésekre legfelkészültebb ország, ahol évtizedek óta földrengéstűrő épületeket építenek, egy ilyen óriási méretűt azonban nem lehet komoly károk nélkül átvészelni. A legnagyobb károkat nem is közvetlenül a földrengés, hanem az annak hatására kialakuló szökőár okozta. Olyan ipari létesítmények – köztük több atomerőmű is – sérültek meg, melyeknek pontos hatását még nem tudjuk felmérni. Bár a XXI. század első évtizedében több nagy földrengés okozta katasztrófa történt már (lásd táblázat), ezek inkább fejletlenebb, és szegénységüknél fogva felkészületlenebb országokat érintettek. A 2011. március 11-i japán földrengés az utóbbi évtizedek legnagyobb természeti katasztrófája, mely a világ egyik legfejlettebb ipari országát érintette. Bár a természeti csapás végleges mérlege még korántsem látható, már az előzetes adatok is mutatják, hogy az emberi áldozatok száma egy fejlett, gazdag és földrengésre felkészült országban a tizedét sem éri el annak, mint amit egy hasonló esemény egy kevésbé felkészült országban okoz (pld Szumátra, 2004). Ugyanakkor az infrastruktúra, az ipari környezet és a nagyon magas érték koncentráció hatalmas anyagi kitettséget jelent még a legfelkészültebb országokban is.

Tektonikai környezet

A 2011. március 11-én Japán északkeleti partja közelében kipattant 9-es magnitúdójú földrengés olyan helyen keletkezett, mely tektonikai szempontból a világ egyik legaktívabb, legváltozékonyabb területe. A csendes-óceáni lemez és az eurázsiai lemez 8,3 cm/év sebességgel ütközik itt egymással, a vékonyabb óceáni lemez itt bukik a vastagabb kontinentális lemez alá. Japán szárazföldi partvonalával párhuzamosan, attól mintegy 100 km-re, keletre húzódó Japán-árok e lemezhatár felszíni megjelenése. Bár a hétköznapi életben a Föld felszínét jelenleg is formáló tektonikai folyamatokkal főleg katasztrófák alkalmával, földrengések, vulkánok során, negatív kontextusban szembesülünk, a teljes képhez az is hozzátartozik, hogy a Japán szigetív nem is létezne e folyamatok nélkül. Persze minden más földrajzi formációra igaz ez, az Alpoktól egészen a Himalájáig. 

 

A csendes-óceáni lemez és az eurázsiai lemez 8,3 cm/év sebességgel ütközik egymással.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)

 

Számos nagy földrengés kapcsolódik a Japán-árok által kirajzolt szubdukciós területhez. 1973 óta kilenc olyan nagy rengés volt itt, melyek magnitúdója elérte, vagy meghaladta a 7-et. A legnagyobb (M 7.8) ezek közül 260 km-re, északra keletkezett a mostani epicentrumtól, és 1994-ben halálos áldozatokat is követelt. Szintén áldozatokat követelt 1978-ban egy M 7.7 rengés, melynek epicentruma a mostanitól 35 km-re délnyugatra volt. Feljegyzések tanúsítják, hogy 1611-ben, 1896-ban és 1933-ban nagy földrengések és hatalmas szökőárak pusztítottak Japán északkeleti részén. A Csendes-óceán itteni partjának adottsága is olyan, mely felnagyítja a cunami hullámot és különösen veszélyessé, védtelenné teszi az alacsony part menti területeket a szökőárral szemben. Az 1896-os (M 7.6) rengés után 38 m-es szökőár keletkezett, mely 22 ezer áldozatot követelt. Hasonlóan nagy, 29 m-es szökőár alakult ki egy M 8.6 rengés után 1933-ban, mely több mint 3 ezer ember életét oltotta ki.

 

A 2011. március 11-i japán földrengés a világ egyik legföldrengésesebb területén történt.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)

 

Mindezek mellett is a 2011. március 11-i földrengés egy szokatlanul nagy, ritkán előforduló katasztrófa. A földrengés mérete messze meghaladta a modern műszeres szeizmológia történetében a környéken mért legnagyobbakat. Az utóbbi idők itteni nagy rengései közül ugyanis egyik magnitúdója sem haladta meg a 8-at. A történeti kutatások szerint a IX. században feljegyzett földrengés lehetett hasonló, vagy ezt megközelítő méretű, melyet szintén hatalmas cunami követett, és óriási pusztítást okozott a sendai régióban.

Előrengés, utórengés

A március 11-i rengést előrengések előzték meg, melyek közül a legnagyobb március 9-én pattant ki, magnitúdója 7.2 volt, de még ugyanazon a napon három további rengés is volt, melynek magnitúdója elérte a 6-ot. Akkor még senki sem sejtette, hogy március 11-én Japán modern kori történelmének legerősebb, M 9 és egyik legpusztítóbb földrengése keletkezik ugyanezen a területen, melynek fényében a két nappal korábbi eseményeket csupán előrengésekként fogjuk emlegetni.

A szeizmológiai terminológiában gyakran használt előrengés és utórengés kifejezések csupán relatív fogalmak. A földrengéseket a földkéreg törése hozza létre, és a törés leggyakrabban kisebb-nagyobb „reccsenések” formájában következik be. Ezek közül a legnagyobbat főrengésnek, az ezt időben megelőzőket előrengéseknek, a későbbieket pedig utórengéseknek nevezzük. A megfigyelések szerint előrengések nem mindig jelentkeznek, de az utórengések mindig igen nagy számban követik a főrengést.

 

Elő- és utórengések magnitúdó szerinti (A) és térbeli (B) eloszlása

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)A

Nagy felbontású kép letöltése (44kB)B

 

A gigantikus japán földrengés során 3x1023 J energia (300 ezer peta J) szabadult fel, melyből kb. 2x1018 J szeizmikus hullámokká alakult. Ez húszezer hirosimai atombomba energiája! Joggal merül fel a kérdés, hogy nem változtatja-e meg bolygónk forgását is egy ilyen mértékű hatás. Természetesen a válasz igen, a számítások szerint a Föld forgásának ideje (a nap hossza) 1.8 mikro-másodperccel csökkent. Ez azonban elég kicsi érték, a legpontosabb mérések is csak kb. 20 mikro-másodpercet képesek kimutatni. A legnagyobb, ezred másodperces nagyságrendű változásokat a Föld forgásában egyébként az őszi lombhullás, a légköri és óceáni áramlások okozzák.

 

(A) A világ legnagyobb (M>8) földrengései 1900 óta. (B) A világon 1906 óta, az elmúlt 106 év alatt 1.13x1024 J (1.13 milliárd peta J) energia szabadult fel földrengések során. Az összes energia több mint felét a hat legnagyobb földrengés adja.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)A

Nagy felbontású kép letöltése (44kB)B

 

Szökőár vagy cunami – a földrengés közvetett hatása

A japán eredetű cunami kifejezést, melynek szó szerinti jelentése „kikötő hullám”, megtanulta a világ már a 2004 decemberében Szumátrán bekövetkezett katasztrófa után. A cunami rendkívül nagy hullámhosszú és periódus idejű hullámot jelent, mely akkor alakul ki, amikor a tenger vízszintje valamilyen erős, impulzusszerű elmozdulást szenved. A jelenséget elsősorban földrengések okozzák, de tenger alatti földcsuszamlások, vulkánok, vagy nagyobb meteorit becsapódások is kelthetnek kisebb szökőár hullámokat. Sok nyelvben, így az angol nyelvben sincs e természeti jelenségre megfelelő kifejezés, ezért egy 1963-ban tartott tudományos konferencián elfogadták a japán cunami általános használatát. A magyar szökőár szó egyébként szintén nagyon kifejező, hiszen a több tízperces vagy akár órás periódusidőt a parti észlelő inkább árvízként éli meg, mint egyszerű hullámként.

Mindez azt sejteti, hogy nem minden napi jelenségről van szó. Ez azonban nincsen így: évente átlagosan két olyan cunami alakul ki valahol a világon, mely a keletkezés közvetlen környezetében már károkat is okoz, a kisebb szökőár hullámok száma pedig ennek a négy-ötszöröse. Ezek túlnyomó része a Csendes-óceán térségében keletkezik, ahol átlagban 15 évenként fordul elő olyan katasztrofális méretű szökőár, mely az egész óceánon végigsöpör.

A szökőár hullám fizikai jellemzői alapvetően különböznek a hétköznapi, általában szél keltette hullámoktól. A különbség abból adódik, hogy míg a szél keltette hullámzás felületi hullámokat jelent, ahol csak néhány, vagy néhány tíz méter mélységig mozog a víz, addig a cunami keletkezése során a teljes, több kilométer vastag víztömeg megmozdul. Bár a cunami amplitúdója a nyílt tengeren általában csak deciméter nagyságrendű, a periódusideje és a hullámhossza rendkívül nagy. Míg a szél keltette hullámok 5-20s periódusidejűek és 100-200 m hullámhosszúak, a cunami periódusideje 10-120 perc, a hullámhossza pedig meghaladhatja az 500 km-t.

Ennek következménye az, hogy a nyílt óceánon a hajók észre sem veszik a cunamit, mert számukra ez csak néhány dm vízszintingadozást jelent, ráadásul ½- 1 óra alatt! Mivel a vízmélység és cunami hullámhosszának aránya kicsi, ezért viselkedése hasonló a sekélyvíz-hullámokéhoz, azaz sebessége arányos a vízmélységgel. Miután a hullámok csillapodása a hullámhosszal fordítottan arányos, ezért a cunami képes több ezer km távolságra is eljutni egészen csekély energiavesztéssel. A nyílt óceánon 6000 m-es vízmélységet feltételezve a hullám terjedési sebessége 874 km/h, mely egy utasszállító repülőgép sebességével összemérhető.

Amikor a cunami a partközeli sekélyebb vízhez ér, fizikai jellemzői nagyon megváltoznak. Az előző képletből számíthatóan 50 m-es vízmélységnél a hullám sebessége már csak 80 km/h lesz, mivel az összes energia állandó, a hullám amplitúdója jelentősen megnövekszik. A cunami végül szökőárként éri el a partot, melynek nagysága különleges esetekben több tíz méteres is lehet. Ilyen gigantikus szökőár hullám azonban ritkán fordul elő, az évente átlagosan megfigyelt 8-10 cunami többsége nem is okoz különösebb problémát.

Japán, a világ földrengésre legfelkészültebb országa

Sokat tudunk a földrengések keletkezési mechanizmusáról, elég jól ismerjük azokat a folyamatokat, melyek a földrengéseket kiváltják, sok adatunk van arról, hogy a Föld különböző területén mekkora rengés, milyen gyakorisággal keletkezik. Nem tudjuk azonban a földrengések kipattanási idejét előre jelezni, és nincs is sok remény ennek megoldására a belátható jövőben. Nem lehet megfelelő pontossággal prognosztizálni ugyanis, hogy egy lassú, több évtizedig tartó, cm/év nagyságú feszültség felhalmozódás hatására mikor következik be a törés az igen inhomogén földkéregben.

A földrengés kipattanása olyan sok tényezőtől függ, a folyamat olyan bonyolult, hogy sok kutató véleménye szerint pontos előrejelzésére sohasem lesz mód. Lehetőség van azonban a földrengés veszély meghatározására, vagyis annak kiszámítására, hogy valamely területen megadott méretű talajrázkódás adott időszak alatt milyen valószínűséggel várható. Ilyen módon - bár a földrengést elhárítani nem lehet - a földrengés veszély ismeretében előzetes felkészüléssel az általuk okozott károk és veszteségek jelentősen csökkenthetők.

Japán a világ egyik legföldrengésesebb területén fekszik. Felsorolni is nehéz lenne azon földrengéseket, melyek Japánban komoly pusztítást okoztak. 1923-ban a nagy kantói és az azt követő tűzvész egész Tokiót elpusztította, nincs 1923 előtti épület a városban. Szinte minden évben keletkezik M 6.5-7 magnitúdójú rengés, Japán valamely részén. Az pedig, hogy egy ilyen nagy rengés milyen következményekkel jár, már a véletlenen (a rengés mélysége, lakott területtől való távolsága) és a felkészültségen (épületek minősége) múlik. A kisebb (M<5) rengések szinte mindennaposak, nehéz úgy eltölteni egy hetet Japánban, hogy ne éreznénk egyet-kettőt belőlük.

A földrengés előtt nem várhatunk riasztást, a védekezés egyetlen módszere a felkészülés. Amikor földrengést érzünk, már általában nincsen idő az épületből való menekülésre sem.

A szökőár esetében a helyzet egészen más. A földrengés után ½-1 óra még a legközelebbi partokon is van az árhullám megérkezéséig. Japánban és az USA csendes-óceáni partján több éve szökőárriasztó rendszerek működnek. Ezek első és legfontosabb elemét olyan szeizmológiai monitoring rendszerek alkotják, melyek a földrengések kipattanása után néhány percen belül meghatározzák a rengések hipocentrumát, magnitúdóját, a fészekmechanizmust. Amennyiben a rengés tenger alatt, nem nagy mélységben keletkezik, magnitúdója meghalad egy küszöb értéket (pl. >7), fészekmechanizmusában pedig jelentős a függőleges elmozdulás, komoly esély van szökőár kialakulására. A cunami kialakulása és terjedése jól modellezhető. A kialakult szökőár terjedése tenger alatti nyomásmérő érzékelőkkel, műholdas megfigyeléssel is követhető.

A lakosság riasztása a helyi hatóságok feladata, mely komoly fegyelmet, szervezettséget és állandó készenlétet, tréninget igényel.

Japánban a földrengésre való felkészülés, a földrengéstűrő építkezés évtizedek óta folyik. Kritikus létesítményeket, berendezéseket pedig olyan földrengés érzékelőkkel és kapcsolókkal szerelnek fel, melyek automatikusan működésbe lépnek és leállítanak atomerőműveket, megállítanak gyorsvasutakat, elzárnak gázvezetékeket. Ennek eredménye, hogy az utóbbi évtizedekben már a nagyobb földrengéseket is viszonylag kisebb áldozatok árán vészelik át. Tíz- vagy százezres nagyságrendű halálos áldozatról már inkább csak a világ fejletlenebb részéről hallunk. Más kérdés, hogy egy M 9 földrengést, több M>7 és közel ötven M>6 utórengéssel, nem lehet következmények nélkül átvészelni! Le kell szögezni azonban, hogy a katasztrófa jelentős részét most sem közvetlenül a földrengések okozták, hanem az azt követő szökőár. A földrengéskor az atomreaktorok blokkjait is rendben lekapcsolta az automatika, a korszerű építésű magas házak pedig még az epicentrumhoz legközelebb eső területeken sem omlottak össze.

Évekig fogják vizsgálni, boncolni a szakemberek a bekövetkezett eseményeket, hogy a tapasztalatokat és tanulságokat felhasználva tovább csökkentsük hasonló eset bekövetkezésének valószínűségét. A legsúlyosabb kérdések az atomerőművek vonatkozásában merülnek fel. Szabad-e egyáltalán ilyen totális katasztrófával fenyegetett területen atomerőművet építeni és üzemeltetni? Hasonló kérdés már akkor is felmerült, amikor 2007 júliusában a Kashiwazaki-Kariwa atomerőmű (a világ legnagyobb atomerőműve, teljesítménye 8.000 MW) csodával határos módon, sérülésekkel, de nagyobb környezeti hatás nélkül élt túl egy közeli M 6.6 földrengést. A rengés során a tervezett gyorsulás többszöröse érte a telephelyet.

Az atomerőművek földrengésbiztonságával foglalkozó amerikai, európai és japán szakemberek körében évek óta jelen van és érződik egyfajta szemléletbeli különbség. Európában és az USA-ban olyan kis valószínűségű földrengésekre is megkövetelik az atomerőművektől a biztonságos leállást, mely csak 10-100 ezer évenként fordul elő. Ehhez képest a japán atomerőművek „kamikaze” módon, „isteni széllel” működnek. Mérsékelten szeizmikus területeken persze sokkal könnyebb a konzervatív hozzáállás. A Paksi Atomerőmű például 2.5 m/s2 földrengésből származó gyorsulás esetén még biztonsággal le tudna állni, bár a legnagyobb, Magyarországon valószínűsíthető földrengés M 6.2-6.5.

 

Japánban hét fokozatú skálát (JMA scale) használnak a földrengés intenzitásának jellemzésére.

Nagy felbontású kép letöltése (40kB)