互动科普

2004年12月26日，一连串毁灭性的滔天巨浪袭击了整个印度洋沿岸，这场史无前例的大海啸造成的损失也是最惨重的：巨浪蹂躏了所有城市和乡村，在数小时之内，便夺去了22.5万人的生命，至少100万人无家可归。

这场骇人听闻的灾难凸显出一个重要事实：由于全世界沿海地区的人口爆炸，海啸对人类的威胁，比历史上任何时期都来得大。同时，这场海啸也留下了历史上最为详细的记录：从家庭录像机拍摄的席卷海滨旅馆的滔天浊浪，到卫星监测到的铺天盖地横扫大洋面的波浪，信息源源不断，改变了科学家们以往对于某些方面的认识，为以后避免此类大灾难提供了难得的学习机会。

首先，这场海啸产生于以前人们认为不太可能引发巨浪的区域，这个令人惊异的起源让研究人员确信：现在有必要扩大潜在危险地区的名单。新的观测资料也提供了第一手完整的计算机模拟试验，这些模拟试验预示海啸将会发生的时间和地点，以及海啸冲向海岸的运动方式。更有甚者，这场大海啸还显示，地震微妙的复杂性对海啸的规模和形态产生了非常强烈的影响。通过这些发现而得以改进的计算机模型，将发挥出新的检测和预警系统作用，从而有助于拯救生命。

猝不及防的大海啸

很久以前，研究人员就发现：几乎所有引发海啸的地震滋生地，都是俯冲带（subduction zone，又称潜没区）。当一块地壳构造板块插入另一块的下方，会形成巨大的海沟，这样的地区就是俯冲带。引力和地幔内部粘性物质的运动发挥作用，让板块相向运动，但浅层地壳中的摩擦让它们暂时卡在一起，压力遂越过两个板块之间的巨大接触面或断层逐步提升。有时，这种压力以一场大地震的形式突然释放出来：底部的板块往下面俯冲得更深更远，朝着上面猛烈撞击顶部的板块，上面的海水就铺天盖地激扬起来。由此产生的海啸，其规模视海底移动的程度而定。海啸一旦发生，就一分为二，一半向内陆迅速挺进，另一半则直奔汪洋大海。

在东印度洋的印度尼西亚苏门答腊岛西海岸，印度板块沿着苏门答腊岛的俯冲带滑到欧亚板块下面。过去，这个断层的南部曾引发过里氏9级大地震，最近一次大地震发生在1833年；美国加利福尼亚理工学院的凯瑞·锡耶（Kerry Sieh）和他的同事找到了在这些地震中被抬升起来的古代珊瑚礁。专家们在那里提防着另一场大地震。

可是，2004年12月那场引发海啸的地震发生在这个地区北部——苏门答腊岛的西北部，专家们就困惑不解了。以前的记录表明，在那里，沿着离岸断层的运动要缓慢得多，因此不清楚压力能否累积到引发这样一场强烈震动的强度。后来的分析却显示，里氏9级震动把一片连绵1200千米长的海底抬了起来，有些地方甚至上升了8米，这场震动解开了一个面积相当于美国加利福尼亚州的断层带，把成百上千立方公里的海水转移到正常的海平面之上。所以，调查人员开始观测阿拉斯加、波多黎各和其他相似俯冲带附近的海域，考量海啸可能带来的威胁。

这场波及苏门答腊-安达曼地区的地震，始于当地时间早上7点59分，全球地震检测站的网络很快就向位于美国夏威夷爱娃海滩（Ewa Beach）的太平洋海啸预警中心报警。除海啸发生地外，那里的地球物理学家是最早获悉地震的人，但直到有关这场大灾难的新闻公告发布，他们才确认一场致命的海啸正在横扫印度洋。

在世界上85%的海啸发生地——太平洋，被称为海啸监测仪（tsunameter）的遥感器在巨浪登陆之前就可以探测到离岸的海啸，并向夏威夷太平洋海啸预警中心的科学家和位于阿拉斯加帕尔默的第二中心的科学家发出预警[见《科学美国人》1999年5月号弗兰克·冈萨雷斯所作《海啸！》一文]。可是在印度洋，这样的技术还没有恰当的位置，也没有建立起通讯网络来向海岸的人们预警。尽管波浪前锋抵达泰国、斯里兰卡要花两个小时或更长时间，但是很多地区还是遭到重创——几乎人人都猝不及防。

挖掘海啸线索

2004年12月26日这天，彻底颠覆了世界对海啸的评价，包括海啸能造成多大破坏、可能冲击的地点以及那么多社区猝不及防的程度。从那天起，国际组织为改善这种状况而紧急行动起来。同时，研究人员一直在挖掘这场大灾难留下的线索，从而提高他们对海啸发生、传播、冲击海岸这个过程的认识，同时也可以在下一次海啸发生时更好地预警。

15年来，日本和美国的研究人员一直在开发计算机模型，这种计算机模型模拟海啸如何穿过汪洋大海传播。然而以前，同他们所持有的理论相比，调查人员实施的观测极少。所有海啸传播模式研究，都需要两种关键的启动变量：对变形的海底范围和位置的估计。研究人员根据地震量级和震中，对高度或振幅进行测量，或对转移的水进行测量，得出这种估计。只有直接观测汪洋大海上的海啸波之后，才能恰当地推断出后者的实时预报。

不过，对于以前发生的主要海啸，科学家仅有检潮仪在海岸附近记录到的测量数据，或者海啸过后，测量员对洪水在陆地上造成的冲击性破坏进行分析而估计出的数据。主要问题在于，靠近海岸之处，海啸的实际规模被另外的波浪掩盖了。这些波浪是在海啸从海堤上反弹回来、环绕岛屿或者在海湾里来回摇荡的时候产生的，它们都扰乱了研究人员需要用于分析的真实信息。

纯属巧合，由三颗地球监测卫星组成的监视系统发挥了作用，向模型设计者提供了他们所需要的印度洋海啸准确的早期浪高。在地震发生后的2~9小时之间，这些卫星恰好围绕轨道运行到这个地区的上空，对越过汪洋大海的海啸进行了最初的雷达测量。正如人们所怀疑的那样，测量结果第一次证明了：在开阔海域上仅仅荡起半米高的水，确实可以转变成弥漫天际的惊涛骇浪，并发泄在陆地上，造成重大破坏。

这些卫星以大约每秒5.8千米的对地速度（ground speed）运行。它们还提供了海啸振幅的第一个连续横断面——它们沿着飞行轨道连续不断地监视着波浪，而不是像检潮仪那样在单独一个地点进行测量。这个观测表明，模拟和测量出的浪高相互之间非常吻合。这一点确认了关于海啸如何越过汪洋大海的普遍理论，也确证了一点：即使面对最大的海啸，当前的建模范例对于公共安全也是有用的。

前所未有的观测数据

海啸对全球的影响进一步确证，对于预测来说，模型有效而可靠。因为深海的海啸，以相近于喷气式客机的速度（即每小时500~1000千米）向前挺进，波浪前锋从苏门答腊岛北部和安达曼群岛出发，不出3小时，便向东抵达缅甸、泰国和马来西亚，向西抵达斯里兰卡、印度和马尔代夫群岛。在11个小时之内，它就冲击到了8000千米之外的南非海岸。据报道，那里是海啸威力波及的最远处，造成了一例人员死亡。

可是，波浪并没有在那里停滞不前。在制造这场悲剧的同时，科学家开始从世界各地的检潮站获得记录数据：海啸继续向西挺进，它绕过非洲南端的好望角，穿越大西洋向北挺进，这时，它一分为二：一支扑向巴西，另一支直逼加拿大东北部的新斯科舍。在海啸向东挺进的路途中，它快速穿越澳大利亚和南极洲之间的空隙，进入太平洋，远及北部的加拿大。据我们所知，自从1883年喀拉喀托火山爆发以来，尚无一场海啸波及得如此之远。

海啸的整个挺进路线，通过美国国家海洋和大气局（NOAA）的主电脑模拟显现出来。这种计算机模拟被称为MOST（“海啸分裂法”的简称），它模拟出的浪高与各个不同检潮站的记录相当吻合。更有甚者，模型还揭示出海啸的威力如何设法波及到如此之远。一张模拟的印度洋海啸浪高图表明，浪高在海洋中央的海岭处达到顶峰。相比其他的传播渠道，似乎正是这些连接着一个个海盆的海岭，引导波能涌向了更远的地方。了解这种作用对于预测颇有帮助，因为模型设计者可以更好地估计最强大的波能可能去哪里。

更大的挑战

预测海啸登陆后的运行方式，则是更大的挑战。正如海啸中总是出现的那样，2004年12月的印度洋大海啸波进入浅水时，就渐渐减速。在开阔海域，浪峰之间的距离达数百千米，当波纹抵达海岸时，间距已减少到了15或20千米。可是，由于快速向前挺进的巨大水量依然在后面不断推动，浪峰就越来越高，在它冲击的第一个地区——苏门答腊的亚齐省（Aceh Province），超过了30米。

波浪依然以30~40千米的时速移动，以横扫千军之势袭击苏门答腊岛——远远深入班达亚齐市，其部分地区已超过了4千米。它们撤退的速度与入侵时一样迅猛，把它们在冲上陆地时所触及的一切东西都拖进大海。接连数小时，波浪沿着所有遭到淹没的海岸线，连续不停地猛捣海岸。在下一波袭击到来之前的30分钟或更长的时间内，很多人倒霉地返回了海滩，惨遭一波波接踵而来的巨浪猛烈袭击。这场大海啸对自然环境造成的累积破坏如此严重，以致宇航员在太空中也能看见；产生的破坏也极其不同。

鉴于涉及诸多相关因素，模型怎样才能可靠地预报这些变化呢？直到20世纪90年代初，由于悬而未决的计算复杂性，即使最佳模拟也在水边或者恰好在离岸之处结束了计算。然后，调查人员就使用那个最后的高度来估计海啸会深入内陆多远。可是，对海啸灾难进行仔细初步检测的结果，却暗示他们的估计有很大误差。1992年，在一场袭击尼加拉瓜的海啸后，科学家第一次对现场进行了全面测量，以便同模型预报作比较，发现在某些地方，洪水水面比模型所预报的要高出10倍。

很快，美国和日本的模型设计者之间开展了一场竞赛，寻求通过计算海啸在干燥陆地上的整个演变过程，从而更精确地描述洪水。通过把实验室进行的大规模实验与后来对海啸进行的现场测量相结合，研究人员优化了日本的TUNAMI-N2和美国的MOST模型，只要海岸和离岸地形学的高清晰度数据资料现成可用，它们就能够与过去的大多数海啸洪水模型相当吻合。然而，这些研究人员并不知道模型对于最大的海啸也能发挥作用。结果，尽管海岸地形的细节相对缺乏，模型和印度洋海啸吻合得比预想的要好。

海啸发生后，印度尼西亚和别处的测量员很快注意到，单单是对洪水深度的预测并不能预测海啸的整个影响。在泰国和斯里兰卡的很多地区，海啸在陆地上的深度不及4.5米，然而在惨遭蹂躏的亚齐，水深是泰国和斯里兰卡的6倍。另一个骇人听闻的事实是，在班达亚齐市，巨浪摧毁了一个又一个钢筋混凝土结构的街区，而这种结构的建筑往往可以经受住地震的撼动。

为了说明这场灾难的量级，土耳其安卡拉中东技术大学的阿梅特·C·雅尔西纳（Ahmet C. Yalciner）和本文作者之一（西诺拉基斯）正在测定破坏烈度标准，也考虑到了强劲的急流，这些急流在海啸洪水中比在正常潮水和暴雨波浪中要猛烈得多。沿海地区的工程师可以这个标准来评定海啸波对建筑物施加的冲击力。

预测模型追查海啸起源

正如可以论证的那样，关于印度洋海啸最大的科学之谜就是地震本身。虽然对地震的量级依然存在着争论，但有人估计它的量级高达里氏9.3级。尽管地震产生的震动是1964年阿拉斯加大地震以来最大的，可是要描述苏门答腊-安达曼断层如何孕育出这样一场巨大海啸，一直是个挑战。

无论在哪个方面，这场地震都异常复杂。典型状况下，断层从一开始就在接近震源的地方以最大规模倾滑。然而在某些情况下，以小规模倾滑为开端（这暗示着地震规模较小），然后击中断层的脆弱部分或者承受着高压的部分，这个部分就猛烈地断裂开来，导致更大规模的地震和海啸。2004年的印度洋大海啸就是这样发生的。分析这样的案例，以便及时发出有用的警报，颇具挑战性。

为了这场令人困惑的大海啸，NOAA将海啸预测模型投入试验。单独用地震数据资料来操作模型，可能会以系数为10或更大的系数来低估汪洋大海上的海啸高度。在地震发生后约三四小时，海啸振幅的第一手测量资料从椰子岛（Cocos Island）的检潮站传到科学家手上，显著地改进了结果。可是还是缺少了什么。

地震后的日子里，对震动的强波的分析指明，最初的断层以每秒2.5千米的速度从苏门答腊岛向北方加速运动。这些分析也准确地确定了发生最大规模倾滑的区域——因而也是海啸发生的最大区域。海啸模型设计者面临的问题，就是这些对地震的解答都没有包括断层全面运动，因此他们无法复制人造卫星对开阔海域上浪高的观测，也无法复制对班达亚齐市的严重洪水的观测。

至关重要的线索来自陆基观测站，它们使用全球定位系统（GPS）来追踪比震波诞生要缓慢得多的地面运动。那些测量表明，断层停止发出地震能量之后，还在继续倾滑，尽管倾滑得很缓慢。虽然要达到引起海啸的地步，断层倾滑的缓慢程度有个下限，可是，这种被称为余滑（after-slip）的常被忽略的现象很有可能说明了令人吃惊的海啸高度。如果是这样，对GPS连续性的综合理解就可能会成为未来海啸预警系统的一个重要组成部分。

预警教育拯救生命

在任何特定地震中，特殊因素无疑竭尽全力地发挥出对海啸的可怕控制。仿佛是强调这一点，2005年3月28日，在地球的同一个断层带沿线发生了又一场巨大地震。这场地震的最初断裂发生地，与2004年12月地震的断裂发生地相同，离苏门答腊岛海岸线的距离相同，实际上深度也相同，两次震动都名列1900年以来的10大地震记录之中，然而它们引发的海啸却根本不同。

看到计算机显示2005年3月的地震达到里氏8.7级，太平洋海啸预警中心和其他地方的科学家作出了最糟糕的预期。尽管地面强烈摇动确实造成了严重破坏，却没有关于海啸造成破坏的直接报告。一个国际小组（包括本文作者之一蒂托夫）两周后调查了该地区，测量到海啸升起的高度达4米，依然具有潜在的致命威胁。一些印度尼西亚人说，他们从2004年12月的海啸中学到了经验，在地面摇动的时候就跑向内陆，及时有序的撤退是2005年3月发生的海啸没有夺走更多生命的唯一原因。

对美国佐治亚理工学院的安德鲁·纽曼（Andrew Newman）和新墨西哥技术及采矿学院的苏珊·比莱克（Susan Bilek）来说，对2004年12月地震余震的分析，暗示着那时断层倾滑靠近深深的海沟，因此比起2005年3月断层主要部分的倾滑来，它位于更深的水下。所以，2004年12月的海啸在从深水传播到海岸这段时间里有更多机会来提升高度。另外，跟2004年12月的海啸不同，2005年3月的断层运动发生在尼亚斯岛（Nias）和 锡默卢岛（Simeulue）下面，限制了高涨的浪峰所能转移的水量。

断层方向中的细微差异，意味着它们的海啸波朝两个不同的大方向运动。对于2005年3月的地震，大多数向东运行的波浪都冲击并粉碎在苏门答腊岛上，正是这个岛屿阻挡了很多朝着泰国和马来西亚运动的波能。向西运动的波浪冲击到西南部的汪洋大海中，在很大程度上错过了斯里兰卡、印度和马尔代夫群岛，而这些地区都曾经惨遭2004年12月大海啸的蹂躏。这些例子突出说明了地震位置的关键重要性。

尽管科学上徘徊不去的怀疑或许总是围绕这样的复杂现象，新的海啸科学已准备就绪，只待安装启用。如今，拯救生命的最大挑战，就是把科学发现应用于恰当的相关教育、计划和预警。