Geração e propagação de um tsunami: contribuição para a minimização do risco

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1 Geração e propagação de um tsunami: contribuição para a minimização do risco José Simão Antunes do Carmo Professor Auxiliar com Agregação da FCTUC Resumo Um tsunami é uma série de grandes ondas com origem no mar, que podem resultar em consequência de deslizamentos de taludes submersos, de erupções vulcânicas, de sismos com epicentro na plataforma continental e em grandes profundidades, de fenómenos de interacção e rápida descompressão de placas tectónicas, de explosões ou ainda de impactos de corpos cósmicos, como meteoritos. Em consequência de alguma destas ocorrências são libertadas grandes quantidades de energia, dando origem a movimentos verticais bruscos da coluna de água. As ondas assim geradas propagam-se com grande velocidade em águas profundas (ao largo). À medida que se aproximam da costa, a velocidade destas ondas vai-se reduzindo gradualmente mas a sua energia permanece sensivelmente constante em grande parte do seu percurso. Este efeito tem como consequência um acentuado crescimento da altura da onda, atingindo com frequência valores na ordem de uma dezena a dezena e meia de metros junto à costa. Este artigo surge na sequência de um acontecimento de extrema gravidade, como o ocorrido no dia 6 de Dezembro de 004 no sudeste asiático, por isso se documenta com testemunhos suficientemente esclarecedores da importância e oportunidade de uma análise física e matemática do fenómeno que lhe deu origem. Após uma breve introdução e enquadramento do tema, essencialmente com base naquele acontecimento, dão corpo às restantes secções deste artigo as apresentações de um trabalho experimental em curso no Departamento da Engenharia Civil da FCTUC e dos resultados numéricos de um modelo matemático adequado para simular a geração e propagação de um tsunami. Por último, fazse uma breve referência ao programa de observação e mitigação dos riscos de um tsunami instalado na costa oeste do EUA. 1. Introdução Associa-se normalmente a geração de um tsunami à ocorrência de um sismo. Embora esta associação seja provida de fundamento, não corresponde inteiramente à verdade. Com efeito, nem todos os tipos de movimentos que ocorrem numa falha ou os deslocamentos da crosta terrestre ao longo de uma fractura são susceptíveis de gerar tsunamis. Apenas um deslocamento vertical provoca desequilíbrios na coluna de água situada sobre a falha ou zona de fractura, dando origem à procura de um novo equilíbrio. Por conseguinte, os movimentos lateral e horizontal igualmente associados às transformações da crosta terrestre e frequentemente causadores de sismos geralmente não produzem tsunamis, pois não provocam alterações significativas na massa de água. Outras fontes igualmente geradoras de tsunamis são erupções vulcânicas, explosões nucleares e avalanches, deslocamentos de taludes submersos produzidos em zonas de fractura ou falhas activas, fenómenos de interacção e rápida descompressão de placas tectónicas, explosões ou ainda impactos de corpos cósmicos, como meteoritos. Os tsunamis resultam assim, fundamentalmente, em consequência de descargas de energia libertada na crosta terrestre, ao longo do fundo oceânico, que é sucessivamente transferida em energia potencial ao longo da coluna de água situada acima da área fonte e convertida na propagação horizontal da perturbação assim gerada na superfície livre do oceano.

2 Tipicamente, os tsunamis são gerados a profundidades da ordem dos 3000 m a 5000 m e possuem comprimentos de onda da ordem de uma a duas centenas de quilómetros. Uma onda com estas características propaga-se pelo oceano em condições ditas de água pouco profunda. A velocidade de propagação de uma onda com estas características é, em primeira aproximação, dada por sendo g a aceleração da gravidade ( g = ms C = gh, ) e h a profundidade local. Deste modo, 1 1 considerando uma profundidade média h = 4000 m, ter-se-á C 198 ms > 700 kmh. Ao largo, na zona de geração, os tsunamis são caracterizados por alturas típicas da ordem de 1.0 m. Por conseguinte, estas ondas não são verdadeiramente observáveis antes de atingirem as proximidades da costa, a distâncias da ordem de uma dezena de quilómetros; mesmo a esta distância (cerca de 10 km), devido à esfericidade do globo terrestre, só são observáveis da costa, a olho nu, ondas com alturas da ordem dos 8 m, ou superiores. Devido ao efeito de redução da profundidade na plataforma continental, a velocidade de propagação de um tsunami diminui consideravelmente junto à costa; todavia, a altura deste é significativamente empolada para muito mais do dobro da altura ao largo, atingindo frequentemente alturas da ordem dos 10 m ou mais, conduzindo em geral à rebentação. Durante grande parte do seu percurso, o fluxo de energia de um tsunami mantém-se sensivelmente constante, sendo a conservação deste fluxo o resultado de um equilíbrio entre a velocidade de propagação e a altura da onda. Uma redução de qualquer destas variáveis implica um aumento da outra, o que, no caso de um tsunami, se traduz no aumento da sua altura ao propagar-se sobre profundidades decrescentes. Apresenta-se na Figura 1 o comportamento do recente tsunami ocorrido em 6 de Dezembro de 004 em aproximação à linha de costa, algures, na Tailândia Figura 1. Tsunami em aproximação à linha de costa ( Breve referência a alguns dos principais tsunamis ocorridos nos últimos 50 anos São gerados anualmente muitos tsunamis de pequenas dimensões. Historicamente, um tsunami já com forte poder destrutivo ocorre em parte incerta do Globo em cada período de dois a três anos. Um tsunami de elevadas proporções, com características devastadoras, ocorre em cada período de quinze a vinte anos.

3 Em Março de 1957, as ilhas Hawaiianas foram atingidas por um tsunami com epicentro nas ilhas Aleutian-Alaska e magnitude 8.3. Os prejuízos elevaram-se a mais de 5 milhões de dólares. Na ilha de Haena as ondas atingiram os 16 m de altura e no porto de Hilo os níveis de água elevaram-se a cerca de 4 metros, tendo danificado vários edifícios. Um sismo ocorrido em 1960, com epicentro no Chile e magnitude 8.3 na escala de Richter, gerou um tsunami que atingiu o estado do Hawaii, tendo perecido 61 pessoas. Este tsunami destruíu mais de 500 edifícios e provocou prejuízos na ordem dos 3 milhões de dólares. Em Março de 1964 ocorreu um sismo com epicentro no Alaska, em Prince William Sound, e magnitude 8.4. O tsunami gerado em consequência de deslizamentos atingiu uma altura superior a 30 m, tendo causado 1 vítimas e provocado prejuízos que ultrapassaram os 105 milhões de dólares. Em Fevereiro de 1969, um sismo com epicentro na região do Banco de Gorringe (oceano Atlântico) e magnitude 7.9 na escala de Richter gerou um tsunami que afectou as costas Portuguesa, Espanhola e Marroquina. Embora associado a um sismo com algum poder destrutivo, este tsunami não teve consequências de registo. Em Novembro de 1975, um tsunami gerado em consequência de um sismo com epicentro na costa Hawaiiana e magnitude 7. atingiu uma altura próxima dos 8.0 m provocando muitas vítimas e elevados prejuízos materiais. Para se ter uma ideia mais clara da frequência e intensidade deste fenómeno, bastará referir que ocorreram no Oceano Pacífico, apenas nos anos de 1981 a 1997, 6 tsunamis gerados por sismos com magnitude superior a 6.0 na escala de Richter. De entre estes, 3 tsunamis foram gerados por sismos que atingiram magnitudes iguais ou superiores a 7.5 naquela mesma escala. O mais recente tsunami com efeitos absolutamente devastadores, pois estimam-se prejuízos materiais de largos milhares de milhões de euros e um número de mortos que terá ultrapassado os , ocorreu no sudeste asiático a 6 de Dezembro de 004; teve o seu epicentro na costa oeste da ilha de Sumatra (latitude: 3.316; longitude: ) e uma intensidade de 9.0 na escala de Richter. Reproduz-se na Figura um instante da simulação numérica de geração e propagação desta onda (Satake, 004). Os resultados da simulação mostram que o tsunami terá atingido a costa indiana, situada a uma distância aproximada de 1500 km, cerca de duas horas após o instante de geração. Figura. Instante de propagação do tsunamide 6.DEZ.004 nas proximidades da zona de geração (Satake, 004).

4 3. Geração e propagação de um tsunami Tendo como objectivos mostrar o processo de geração de um tsunami e avaliar algumas das características deste fenómeno, decorre actualmente um estudo experimental nas instalações do Laboratório de Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente do Departamento de Engenharia Civil da FCTUC. A Figura 3 mostra duas perspectivas de parte da instalação experimental e o dispositivo mecânico concebidos para provocar deslocamentos verticais (ascendentes ou descendentes) da coluna de água. Figura 3. Perspectiva de parte da instalação experimental concebida para simular a geração de um tsunami. Os dados das primeiras experiências realizadas permitem já alguma comprovação qualitativa dos resultados numéricos de um modelo matemático adequado para simular a geração e propagação da perturbação na superfície livre resultante do desequilíbrio provocado na coluna de água (Antunes do Carmo, 004). A Figura 4 representa as condições iniciais de uma dessas experiências. Duas plataformas situadas a diferentes profundidades, ligadas por uma outra, com 0.40 m de comprimento, situada num plano ligeiramente acima da placa inferior e que irá sofrer um movimento vertical, neste caso de baixo para cima. A plataforma inferior situa-se à cota 0.0, a placa intermédia situa-se à cota m e a superior à cota +0.0 m. Uma rampa com 3.0 m de comprimento, um declive de 5% e início em x = 6.50 m, simula a plataforma continental. Figura 4. Configurações iniciais do fundo e da superfície livre que irão ser perturbadas por uma elevação da placa intermédia.

5 O movimento vertical da placa intermédia, num percurso de 0.14 m, é súbito e suficientemente rápido, durante 0.35 segundos. A Figura 5 mostra pormenores do fundo nas suas configurações inicial (ponteado), em t = 0.0, e final (carregado), após 0.35 segundos, e da superfície livre nos instantes t = 1.0, 3.0 e 4.0 segundos após o início do movimento vertical da placa intermédia. Figura 5. Configurações inicial (ponteado) e final (carregado) do fundo e da superfície livre, esta nos instantes t = 1.0, 3.0 e 4.0 segundos após o início do movimento vertical da placa intermédia.

6 Importa destacar, nesta figura, o empolamento da onda principal ao propagar-se sobre fundos sucessivamente menos profundos, alguns efeitos de reflexão e o início da decomposição, seguindo-se uma rebentação generalizada com a aproximação do limite superior da plataforma inclinada. Importa referir que a energia não poderá manter-se constante ao longo de todo o percurso da onda, existindo necessariamente alguma perda de energia e, por conseguinte também de altura da onda, por efeito de rebentação e de alguma eventual reflexão no fundo. Com efeito, se a energia se mantivesse constante, seria válida, em primeira aproximação, a seguinte relação: E C = E C, com C = gh e C = gh, representando os índices 1 e secções, neste caso a menor e a maior profundidades. Por outro lado, sendo, em cada secção, a energia E proporcional ao quadrado da altura da onda H, serão válidas, em primeira aproximação, as seguintes relações: E E 1 C = C 1 = H H 1 Por conseguinte, para o exemplo apresentado, com h = 0. 0 m, h = m e H m, ter-seia na zona menos profunda, a 0.05 m de profundidade, H m, o que não é fisicamente 1 1 aceitável, pois terá de verificar-se em qualquer secção H ( ~ 0. 80) h. A fim de caracterizar diferentes perspectivas de geração de um tsunami, apresenta-se uma nova simulação numérica com as condições iniciais apresentados na Figura 6. Neste caso, a perturbação é provocada pelo deslizamento de um talude submerso, situado na zona de separação entre duas placas. Do ponto de vista físico, esta ocorrência poderá resultar em consequência de movimentos que poderão conduzir à falta de apoio da placa inferior, ou a fenómenos súbitos de compressão-descompressão das placas conduzindo a uma condição local de instabilidade, ou à quebra da placa superior. Figura 6. Configurações iniciais do fundo e da superfície livre que conduziram ao deslizamento de um talude submerso. Simulou-se o deslizamento de um talude submerso durante um período de 0.35 segundos. A Figura 7 mostra as configurações inicial e final do fundo e da superfície livre, esta nos instantes t = 1.0, 3.0 e 5.0 segundos após o início do deslizamento.

7 Figura 7. Configurações inicial (ponteado) e final (carregado) do fundo e da superfície livre, esta nos instantes t = 1.0, 3.0 e 5.0 segundos após o início do deslizamento do talude submerso. Destacam-se, neste caso, as diferentes formas das ondas que se propagam em sentidos opostos, o significativo empolamento da onda principal ao propagar-se sobre a plataforma inclinada, o início da rebentação da onda principal e um trem de ondas que incluirá os efeitos dispersivos e os eventuais efeitos resultantes de reflexões no fundo. Como se comprova na Figura 8, que mostra a onda principal obtida em ambas as simulações numa sonda numérica situada em x = 8.0 m, as características destas ondas são bastante diferentes. Com efeito, contrariamente à primeira simulação, a onda principal é, neste caso, antecedida de uma importante cava, que, do ponto de vista físico, explica o abaixamento do nível do mar junto à costa antes da aproximação da onda principal.

8 Figura 8. Ondas principais obtidas em ambas as simulações, numa sonda numérica localizada em x = 8.0 m. Os resultados numéricos aqui apresentados e muitos outros publicados na bibliografia, entre os quais me permito citar: Antunes do Carmo, 1995; Antunes do Carmo, 000, Antunes do Carmo et al., 00, e Antunes do Carmo, 004, demonstram claramente que existe capacidade científica em Portugal para apoiar a implementação de um programa de prevenção para a zona costeira portuguesa, nomeadamente no que se refere à avaliação dos tempos de chegada da onda, definição das zonas mais sensíveis, elaboração de cartas de risco, disponibilização de mapas das zonas inundáveis, etc. 4. Sistemas de detecção e aviso Os tsunamis têm amplitudes reduzidas nas proximidades das zonas de geração e, de um modo geral, durante todo o percurso que realizam em grandes profundidades, em geral superiores a cerca de 3000 m. Por conseguinte, os tsunamis são difíceis de visualizar ao largo (em mar alto), mesmo a partir de observações aéreas. Para a previsão e alerta de ondas de grandes dimensões, os sistemas de aviso usam ondas sísmicas com velocidades bastante superiores às dos tsunamis, frequentemente na ordem de 10 a 15 vezes mais elevadas. Assim, se uma perturbação de origem sísmica que atinge a superfície oceânica for suficientemente elevada de modo a poder ser considerada capaz de produzir um tsunami é dado um alerta. Nesta conformidade, poderá ou não ter ocorrido um tsunami; existindo, contudo, uma forte probabilidade de este ter acontecido. De um modo geral, sismos com magnitude inferior a cerca de 6.5 na escala de Richter não são considerados tsunamigénicos (capazes de produzir tsunamis).

9 O actual e mais evoluído sistema de aviso de tsunamis montado no Pacífico liga cerca de 60 estações de registo espalhadas ao longo da linha de costa. Uma vez detectada actividade ondulatória não usual e potencialmente geradora de tsunamis, por uma qualquer estação de registo situada nas proximidades do ponto de geração (epicentro), é imediatamente transmitida a informação de aproximação de uma onda com efeitos destrutivos potencialmente elevados e os correspondentes tempos de chegada a todas as estações com fortes probabilidades de virem a ser atingidas. A grande experiência dos Estados Unidos da América (EUA) em lidar com tsunamis, bem patente, aliás, na eficiência do sistema de detecção e aviso actualmente instalado, é razão suficiente para que nos possa servir de exemplo para uma eventual metodologia que se pretenda implementar em Portugal. Neste sentido, apresenta-se em seguida um breve resumo do programa de observação e mitigação dos impactos de um tsunami, instalado na costa oeste do EUA. No essencial, seguindo de perto Darienzo (003), este programa tem vindo a ser desenvolvido em conformidade com as seguintes fases: 1 Monitorização, que comporta a detecção e aviso (sistema DART = Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunamis), e uma permanente actualização da actividade sísmica (sistema CREST = Consolidated Reporting of Earthquakes and Tsunamis); Avaliação do risco (TIME = Tsunami Inundation Mapping Efforts); e, 3 Mitigação dos impactos (mapas de evacuação, material educativo, sinalização de perigo, etc.). A primeira fase consiste na detecção atempada de um tsunami em mar alto, recolha de informações e aviso em tempo real. Para o efeito, recorre a redes de detecção de ondas sísmicas e a sondas de maré instaladas ao longo da costa, suficientemente aperfeiçoadas em velocidade e precisão, de modo a permitirem medições em tempo real e a prestarem, em simultâneo, informações entre a fonte de detecção e as comunidades potencialmente ameaçadas. Na Figura 9 representa-se um sistema deste tipo, que se encontra instalado em rede e integra várias estações com capacidade para a disponibilização de medições da pressão no fundo oceânico, em tempo real; este é o sistema presentemente instalado no Pacífico Norte para a protecção de zonas particularmente tsunamigénicas, e que ameaçam as comunidades mais sensíveis da zona costeira oeste dos EUA. No entanto, esta rede foi já projectada e prevê-se que venha a ser devidamente equipada para uma cobertura adequada das potenciais fontes geradoras de tsunamis desde o Alaska até zonas costeiras de maior sismicidade da América do Sul. A actualização da actividade sísmica decorre em conformidade com os princípios definidos no sistema CREST, sendo utilizadas ligações de comunicações dedicadas e a Internet para a produção e disponibilização em rede de relatórios de monitorização sísmica produzidos em tempo real a partir da fonte geradora do sismo e de um eventual tsunami, permitindo deste modo uma recepção atempada, por estações regionais e mais distantes, da informação do potencial tsunamigenico, do epicentro, da magnitude, de mapas de distribuição da agitação, etc. Deste modo, são significativamente reduzidos os tempos de espera e análise, ganhando-se em tempo de resposta e informação às comunidades. A instrumentação de campo actualmente instalada na costa americana consta de cerca de 60 estações sísmicas e das correspondentes ligações em rede integradas no sistema CREST, as quais têm vindo a provar a sua eficácia na redução dos tempos de resposta.

10 Figura 9. Sistema de monitorização DART (Darienzo, 003). A segunda fase do programa em curso compreende a implementação directa e aplicação de tecnologia apropriada para a satisfação dos objectivos de cada uma das seguintes componentes: i) sistemas de aviso, ii) avaliação do risco e iii) mitigação dos efeitos. O aperfeiçoamento de sistemas de aviso implica a integração dos dados observados em tempo real em modelos de simulação numérica tendo como objectivo a produção de produtos e ferramentas optimizadas de previsão para a gestão de situações de emergência. Para a avaliação dos riscos são preparados mapas de inundação e implementados os necessários instrumentos de mitigação, recorrendo-se à modelação numérica para o desenvolvimento destes produtos imprescindíveis a uma avaliação eficaz. As actividades desenvolvidas com objectivos de mitigação dos efeitos incluem o desenvolvimento e divulgação de planos de emergência, um elevado esforço educacional, a realização de reuniões com membros das comunidades costeiras, conferências, etc. A mitigação dos impactos consiste no apoio e assistência às comunidades costeiras para se protegerem e resistirem à acção dos tsunamis. Para o efeito, prevê a terceira fase deste programa o desenvolvimento de acções com os seguintes objectivos: i) compreender a natureza casual de um tsunami, ii) prevenir os riscos com base em produtos e ferramentas existentes, iii) difundir informação sobre a casualidade de um tsunami, iv) trocar informações sobre outras áreas de risco, e v) elaborar planos específicos, com carácter institucional. A estratégia de desenvolvimento de um plano providencia também uma disposição para o desenvolvimento de ferramentas específicas e planos de acção que as comunidades locais poderão usar como medidas para enfrentar um tsunami.

11 5. Conclusões Apresentam-se neste artigo várias considerações sobre as causas e consequências da ocorrência de um tsunami, tendo por motivação os acontecimentos ocorridos em 6 de Dezembro de 004. No essencial, demonstra-se que este fenómeno ocorre com bastante frequência e provoca, em geral, elevados prejuízos materiais e muitas vezes perdas de vidas humanas. Demonstra-se igualmente que este fenómeno é caracterizado por uma elevada casualidade, o que, aliado aos riscos que comporta, justifica a implementação de medidas e programas de observação e mitigação. Finalmente, importa registar que embora Portugal não se situe numa zona particularmente tsunamigénica, a não existência de qualquer sistema de aviso que permita detectar um potencial tsunami a largas dezenas de quilómetros da costa deixa-nos completamente desprotegidos em relação a qualquer ocorrência deste tipo. Referências bibliográficas Antunes do Carmo J.S., Contribuição para o Estudo dos Processos Morfodinâmicos em Regiões Costeiras e Estuarinas. Tese de doutoramento em Ciências da Engenharia, área de Engenharia Civil, especialidade de Hidráulica, Universidade de Coimbra, Abril. Antunes do Carmo J.S., 000. TSUNAMIS: Geração e Riscos. Revista Territorium, Revista de Geografia Física Aplicada no Ordenamento do Território e Gestão de Riscos Naturais, Minerva Coimbra, Nº 7, ISBN: Antunes do Carmo J.S., Seabra Santos F.J. & Amado Mendes P., 00. Sudden bed changes and wavecurrent interactions in coastal regions. Journal of Advances in Engineering Software, Elsevier Science, Vol. 33, Nº, Antunes do Carmo J.S., 004. Modelação hidrodinâmica em condições de água pouco profunda. Aplicações. Revista Recursos Hídricos, APRH, Vol. 5, Nº, ISSN: Darienzo, M., 003. The National Tsunami Hazard Mitigation Program, Earthquake Quarterly, Western States Seismic Policy Council. Satake, K., 004. Pagina web < Outras referências < < <