Geofísica

Determinan los mecanismos implicados en los tsunamis provocados por deslizamientos de tierras

Un modelo experimental establece la relación entre la altura de las olas y el volumen de masa sumergida

Determinan los mecanismos implicados en los tsunamis provocados por deslizamientos de tierras
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Los científicos han modelado el proceso que desencadena un tsunami provocado por deslizamientos de tierras y establecido una ley de escala entre la altura de las olas y el volumen de masa sumergida. El modelo se corresponde con casos históricos y ayudará a prevenir sus potenciales peligros.

Los físicos han investigado experimentalmente en laboratorio cómo los deslizamientos de tierra que caen en el agua provocan ondas similares a las de los tsunamis.

Para ello, provocaron el colapso de una columna granular que se precipita sobre una capa de agua y observaron la subsiguiente formación de olas.

Con esta información, los científicos construyeron un modelo que combina la dinámica de expansión de los granos cuando se precipitan en el agua y la hidrodinámica de las olas que se produce como consecuencia en aguas poco profundas.

El modelo no solo se corresponde con un gran conjunto de datos de experimentos de laboratorio, sino que también captura la influencia de los parámetros iniciales y brinda asimismo una predicción precisa de la reacción acuática a en estos casos.

Este trabajo ayudará a comprender mejor el mecanismo de formación de los tsunamis por deslizamientos de tierra, según los investigadores. El estudio se publica en Physical Review Fluids.

Fenómeno peligroso

Los tsunamis son una o más olas altas, causadas por el desplazamiento de un gran volumen de agua. Se trata de un fenómeno muy peligroso para las zonas costeras que ha acompañado a la humanidad durante muchos siglos.

La edad de la primera víctima del tsunami descubierta por los científicos es de seis mil años, y el tsunami más grande de la historia reciente ocurrió en marzo de 2011 y provocó el desastre en la planta de energía nuclear de Fukushima.

Los terremotos son la causa más común de los tsunamis, aunque en ocasiones son provocados por erupciones volcánicas. Otra causa común de este fenómeno se puede denominar derrumbes, es decir, la caída de un trozo o capa de roca al agua, lo que origina una ola.

El ejemplo más grande de este tipo de olas fue el tsunami en la bahía de Lituya, al noreste del golfo de Alaska, que ocurrió el 9 de julio de 1958: la altura de la ola alcanzó los 524 metros.

Potencial destructivo

Este enorme potencial destructivo obliga a los científicos a desarrollar estimaciones confiables del peligro de deslizamientos de tierra costeros, para lo cual los físicos están tratando de construir modelos universales de estos procesos.

Sin embargo, esto se ve obstaculizado por el hecho de que el resultado requiere una combinación de hidrodinámica de olas en aguas poco profundas con mecánica de medios granulares, así como necesita asimismo de pruebas de laboratorio de alta calidad.

Para resolver estas dificultades, Wladimir Sarlin, de la Universidad de Paris-Saclay y sus colegas de EE. UU. y Francia, realizaron un estudio experimental sobre cómo la amplitud de la onda de un potencial tsunami depende de los parámetros geométricos del deslizamiento de tierra y de la profundidad del embalse.

Dispositivo experimental del desarrollo de un tsunami por deslizamiento de tierra. / M. Robbe-Saule, et al., doi:10.1038/s41598-021-96369-6.

Modelo analítico

Para conocer los resultados previsibles, los autores desarrollaron un modelo analítico cualitativo que describía bien estas dependencias para el caso de aguas poco profundas.

Los deslizamientos de tierra en la naturaleza pueden ocurrir de diferentes maneras. Depende en gran medida de la masa afectada, de la forma de la orilla y de muchas más cosas.

Para identificar patrones reproducibles, los físicos construyen sistemas simplificados en los que pueden controlar la mayoría de los parámetros. Para ello, utilizan polvos granulares estandarizados y reducen el problema a un rango unidimensional aprovechando la geometría de la instalación.

En su experimento, los autores filmaron cómo se desmorona un pilar de bolas de vidrio con un diámetro de cinco milímetros, parado en la orilla de una estrecha piscina rectangular llena de agua.

Ondas diferentes

La columna estaba sostenida por un tabique, que al inicio del experimento subía a una velocidad de un metro por segundo. Los físicos controlaron la altura (de 9 a 50 centímetros) y la longitud (de 2,5 a 20 centímetros) de la columna, así como la profundidad de la piscina (de 2 a 25 centímetros). Estaban interesados en observar cómo la amplitud de la onda depende de estos parámetros.

A medida que aumentaba la profundidad, los físicos distinguieron varios modos de formación de ondas. Si bien la profundidad es mucho menor que la altura de la columna, los gránulos se dispersan en el agua principalmente en dirección horizontal, actuando sobre ella como un pistón.

Esto conduce a la formación de perforaciones (maremotos), que son reemplazadas por solitones (ondas solitarias) a medida que aumenta la profundidad.

Límite gráfico

El límite entre los dos modos de reacción acuática se alcanza cuando la amplitud de la onda comienza a disminuir, apreciaron los científicos.

El proceso es el siguiente: cuando la profundidad es comparable o mayor que la altura de la columna, el movimiento de las bolas se vuelve predominantemente vertical, y luego lanzan ondas transitorias no lineales, cuya amplitud cambia ligeramente.

Dado que las ondas que se producen en aguas poco profundas son las realmente peligrosas, los físicos han concentrado sus esfuerzos en describir lo que ocurre cuando se cae al mar un volumen de tierra.

Los autores de esta investigación construyeron su modelo de acuerdo con datos empíricos y, usando las leyes de escala, relacionaron la amplitud de la onda con el número de Froude, que, a su vez, se expresó en términos de los parámetros de deslizamiento.

Modelo coherente

Como resultado, obtuvieron la dependencia de la amplitud de las proporciones de la columna a través de una fórmula compleja, con coeficientes en función de las propiedades mecánicas del material granular.

El modelo construido resultó estar de acuerdo con los resultados experimentales. También pudo explicar la relación empírica observada anteriormente entre la amplitud y el volumen de los gránulos sumergidos.

Los autores destacan la universalidad del modelo, que se puede aplicar a otros materiales simplemente cambiando los coeficientes.

No obstante, advierten que el modelo no contempla todas las variables naturales que pueden producirse sobre las variaciones de la columna que se derrumba sobre el agua, entre ellas su posible destrucción de forma arbitraria.

Referencia

From granular collapses to shallow water waves: A predictive model for tsunami generation. Wladimir Sarlin et al. Physical Review Fluids, 13 September 2022. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.094801

 

 

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