МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ:
ОТ ВОЛН ЦУНАМИ
ДО ИНФОРМАЦИОННЫХ АТАК

С 26 по 28 октября в г. Кемерово проходила VIII Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». Широкий спектр рассматриваемых на конференции задач традиционно нацелен на предупреждение и уменьшение ущерба от самых разнообразных кризисных явлений: от волн цунами до преднамеренных атак на информационные сети.

Юрий Плотников, «НВС»

Значительная часть территории нашей страны находится в зонах, подверженных катастрофическому воздействию землетрясений, цунами, оползней, наводнений и других опасных природных явлений. Все большая часть важных хозяйственных объектов и населенных пунктов оказывается в зоне риска. Усугубляет ситуацию достаточно жесткая связь между природными и антропогенными катастрофами, когда событие естественного происхождения выступает «спусковым крючком» или отягощающим фактором для техногенного катаклизма. Достойным ответом вызову времени должно стать создание интегрированных систем, обладающих возможностями моделирования различных кризисных явлений, использования и обработки в оперативном режиме больших массивов информации, поступающей по телекоммуникационным каналам связи, поддержки принятия решений в чрезвычайных обстоятельствах. Круг этих сложнейших задач и является традиционной тематикой всероссийских конференций по вычислительному моделированию катастроф.

Начало традиции было положено первой конференцией по проблеме цунами, организованной ак. Ю. Шокиным в Красноярске пятнадцать лет назад. За истекшие годы проблематика значительно расширилась. Восьмая Всероссийская конференция проходила в одном из крупнейших центров угольной промышленности — г. Кемерово, и это неслучайно. Высокая концентрация горного, химического и металлургического производств, тяжелая экология, неотложная необходимость решения проблем безопасности определяют обостренное значение этой тематики для угольного края. Адекватные ответы на насущные вопросы требуют привлечения к работе над ними лучших научных сил.

Организаторами конференции стали Институт вычислительных технологий СО РАН, Институт угля и углехимии СО РАН, Институт вычислительного моделирования СО РАН, Новосибирский и Кемеровский государственные университеты, НГТУ, технопарк «Новосибирск», Главное управление по ГО и ЧС администрации Кемеровской области, научно-производственное предприятие «СибЭРА».

В столицу Кузбасса съехались более 100 специалистов из научных центров, высших учебных заведений и промышленных предприятий Барнаула, Владивостока, Екатеринбурга, Ижевска, Иркутска, Кемерова, Красноярска, Москвы, Нижнего Новгорода, Новокузнецка, Новосибирска, Одессы, Омска, Санкт-Петербурга, Томска, Трехгорного (Челябинская обл.), Тюмени, Хабаровска, Читы, Якутска. Ближнее зарубежье было представлено гостями из Алматы.

Публикуемые заметки, естественно, не претендуют на всестороннее освещение этого интереснейшего мероприятия в деталях. Но широкими мазками в духе импрессионизма — вполне.

Стратегия безопасности

На встрече с руководством РАН 3 декабря 2001 года президент В. Путин выделил проблему экспертизы в качестве ключевой. Почти через два года, 13 ноября 2003 г., Совет Безопасности РФ обсуждал вопрос о мерах по обеспечению защищенности населения России. Но что происходит сегодня?

— Лесные пожары в Сибири, торфяные пожары под Москвой, наводнения, сход ледника в Кармадонском ущелье, повторяющиеся террористические атаки… — академик Юрий ШОКИН прекращает подсчет, поскольку продолжать можно долго. — Если бы решения принимались с учетом научных прогнозов, во многих случаях серьезного ущерба можно было бы избежать. Что препятствует учреждению эффективного механизма предупреждения катастроф любого рода? В первую очередь, ведомственная разобщенность, неадекватность структуры управления задачам прогноза — существует система ликвидации чрезвычайных ситуаций, но нет системы их предупреждения. Отсутствует как таковая организационная разработка проблемы и места научного мониторинга, серьезно недооценивается объем необходимых для этого ресурсов. Усугубляет ситуацию недорешенность вопроса «приватизации информации», когда некоторые ведомства упрямо не желают делиться информацией, жизненно важной для других. Наконец, отсутствует надлежащая правовая база.

Есть два пути: дожидаться, пока все необходимые условия будут выполнены, либо адаптироваться самим и сейчас. Академия наук способна давать квалифицированные экспертные оценки, но встает вопрос, кому их адресовать, поскольку отсутствует субъект, заинтересованный в мониторинге кризисных ситуаций, как и национальная стратегия безопасности в целом. Безусловно, необходима программа общегосударственного уровня, которая поставила бы своими главными целями обеспечение наблюдаемости потенциальных угроз, определение концепции нормальных рисков и стратегическое прогнозирование.

Волны моделируют на континенте

Среди разнообразных стихийных бедствий, коим подвержено побережье Мирового океана, одним из самых загадочных по своей природе и разрушительных по своим последствиям считаются цунами. Этим японским словом, обозначающим большую волну в бухте, принято называть вызванные подводным землетрясением, извержением вулкана или оползнем волны, достигающие колоссальных размеров и разрушительной силы при подходе к берегу.

Чаще всего цунами возникают в Тихом океане, что связано с высокой сейсмической активностью этого региона. Происходят они также в Атлантическом и Индийском океанах, Средиземном, Черном и Каспийском морях, даже на Байкале и Ладоге. Нижегородцы гордятся полулегендарным случаем, когда обрушение крутого берега вблизи Печерского монастыря вызвало цунами на противоположной стороне Волги.

Разрушения и жертвы, причиняемые сильными цунами, могут многократно превосходить ущерб, вызываемый их непосредственными причинами. Последний пример, еще не успевший изгладиться из памяти — гигантское цунами в Индийском океане, вызванное Суматранским землетрясением 26 декабря 2004 года.

В Советском Союзе за цунами всерьез взялись в 1952 году, когда чудовищная волна смыла город Северокурильск. На протяжении десятилетий проблема цунами была одной из любимых научных задач М. А. Лаврентьева. Неслучайно в Сибирском отделении исследования цунами начались практически с момента основания. В 1974 году по инициативе ак. Н. Яненко в лаборатории Ю. Шокина начались работы по численному моделированию волн цунами, породившие к настоящему времени мощную научную школу. Многие ее представители выступили с докладами на кемеровской конференции.

Проф. Л. Чубаров (Новосибирск)

— Тайна возникновения, невозможность противостояния, катастрофическое воздействие и быстрая забываемость, — в нескольких словах проф. Леонид ЧУБАРОВ суммирует причины, по которым жизненно важно и потрясающе интересно изучать цунами. — Последнее — самое страшное. Еще года не прошло после трагедии в Юго-Восточной Азии, а люди уже успокоились. Если поначалу предполагалось что-то срочно делать, заказывать ученым работу, сегодня уже начинают думать, что следующая катастрофа произойдет при жизни следующего поколения.

Мы понимаем, что проблема носит многоаспектный характер, и собственно научные решения занимают не самое первое место. Всегда на первых местах оказываются политические, административные и финансовые решения, которые, в частности, определяют возможности обмена сообщениями между государствами. Известно, что волна могла быть предсказана, и число жертв было бы значительно меньше, если бы существовали соответствующие протоколы о взаимодействии между странами, которые эту волну засекли или могли предсказать, и теми, кто такую информацию должен получить. Научные решения состоят в информационной поддержке тех самых политических, административных и финансовых решений. Для того, чтобы такие решения принимались разумно, необходимо заранее проводить работу по созданию информационных систем, включающих базы данных, наполняемые натурными и историческими сведениями. Задача математического моделирования: восполнение пробелов в натурных и исторических данных, эффективная и быстрая их обработка.

Девятый вал

Проф. Е. Пелиновский (Нижний Новгород)

Профессор Ефим ПЕЛИНОВСКИЙ — представитель другой отечественной школы цунамистов, нижегородской. Так исторически сложилось, что цунами были самыми безобидными из всех проявлений волнового движения, которыми доводилось заниматься специалистам Института прикладной физики РАН. Между прочим, проф. Е. Пелиновский — уроженец Кемерова, но в зрелые годы оказался здесь впервые. Будучи ведущим специалистом Европейского центра по изучению цунами, ученый имеет штаб-квартиру на французском о-ве Гваделупа, но большую часть времени гоняется по свету за непокорным объектом своих исследований.

Но в этот раз темой его доклада были не цунами, а так называемые «волны-убийцы». Этим термином специалисты называют экстремально высокие волны, примерно вдвое выше среднего уровня амплитуды, которые по не вполне понятным причинам время от времени порождает морская стихия. Огромная высота и абсолютная неожиданность появления…

Энтузиасты считают, что древнейшее описание волны-убийцы приведено в пятой песне гомеровской «Одиссеи»: «В это мгновенье большая волна поднялась и расшиблась вся над его головою, стремительно плот закружился…» Поколения моряков за кружкой рома передавали леденящие душу рассказы о «девятом вале», самом опасном во время шторма (в чем можно усмотреть зачатки преднаучной статистики — все-таки девятый, а не первый-второй и пр.).

По данным же статистики научной вероятность встречи с этим феноменом в любой точке Мирового океана равняется одной десятитысячной. За последнюю четверть ХХ века жертвами волн-убийц стали 22 танкера. Особую опасность такие волны представляют для нефтяных платформ. Трезво оценивая угрозу, страховые компании бросили на решение этой задачи большие деньги. Модель, представленная проф. Е. Пелиновским — результат упорного шестилетнего труда. В ней учитывается взаимодействие волн с течением, с океанским дном, их собственная динамика. По всем параметрам — задача суперкомпьютерная. Если учесть еще усиление волн ветром, что невероятно сложно, но необходимо, потребуются невиданные вычислительные мощности, калибром не менее петафлопсного. Но как иначе «поверить алгеброй» непредсказуемость моря!

Суматра

Цунами в Индийском океане через два часа после Суматранского землетрясения (схема по модели А. Зайцева, Нижний Новгород)

Андрей ЗАЙЦЕВ, ученик профессора Пелиновского, оказался первым россиянином, побывавшим на индонезийских островах в зоне прошлогоднего декабрьского цунами, и одним из первых в мире, кто предложил его математическую модель. Кадры разрушений, сделанные рукой опытного наблюдателя, вызывают легкий трепет перед разрушительной силой стихии.

Сам проф. Е. Пелиновский привез в Кемерово огромную подборку видеофильмов, снятых очевидцами трагедии. Более часа участники конференции с замиранием дыхания смотрели эти жестокие эпизоды — памятник человеческой беспечности и легкомыслию. Вот море отходит назад, обнажая дно на несколько десятков метров, и досужие любители морских диковин бросаются туда собирать ракушки… Толпы зевак, глазеющих на стремительно набегающую волну… Паническое бегство, когда люди, наконец, понимают, что случилось нечто ужасное. Но разве возможно убежать от лавины, несущейся со скоростью 3 м/сек.!.. Вот чудовищный поток с невероятной мощью ломит по городской улице — смертоносная окрошка из сорванных дверей, выломанных стеновых панелей, телефонных будок, перевернутых автомобилей… Выбраться из этой мешанины живым невозможно… Безжизненная плоскость после отхода волны, деревья, сбритые под корень безжалостным цирюльником… Ржавая колбаса перевернутого поезда на Цейлоне… Рассказывают, что неподалеку размыло волной минные поля «тамильских тигров», и теперь каждый шаг по гостеприимной ланкийской земле может стать последним… Бетонный завод, срезанный до основания… Что удивительно: все мечети уцелели. Как и католический храм на мысу — волна просто опрокинулась по обе стороны… Конечно, всему этому есть рациональные объяснения. Но все же из глубины подсознания растет желание склонить голову перед неисповедимостью божественного промысла…

Вечером автору этих строк довелось присутствовать на яростном «мозговом штурме». Новосибирцы, красноярцы, петербуржцы и нижегородцы наперебой предлагали различные подходы к моделированию индонезийского цунами. Каскад терминов, непонятных непосвященному, фейерверк сложнейших математических формул… Договорились параллельно, несколькими группами просчитать проход волны в Молуккском проливе и сравнить результаты. Выбор объекта объясняется несколькими причинами: достаточным количеством натурных данных, небольшими глубинами, требующими усложнения традиционной модели мелкой воды, отсутствием «лишних» островов, которые могут серьезно смазать картину. Тут же двум аспирантам поставили задачу согласовать расположение компьютерных мареографов, с чем те успешно справились уже на следующий день. Настоящая наука немыслима без исследовательского азарта!

Волнолом

Ак. Ю. Шокин (Новосибирск), профессора И. Нуднер и В. Максимов (Санкт-Петербург)

Военно-морские инженеры из Санкт-Петербурга профессора Игорь НУДНЕР и Василий МАКСИМОВ занимаются физическим моделированием взаимодействия экстремальных волн с волнозащитными сооружениями. По межгосударственным соглашениям российский Черноморский флот к 2017 году должен перебазироваться в Новороссийск. Идет активная работа по выбору оптимальной конструкции портовых сооружений, которые предстоит возвести в Цемесской бухте.

Молы и волноломы должны отвечать сразу нескольким жестким требованиям: выдерживать сейсмичность до 10 баллов, не допускать перехлеста воды через край (по верху должна идти автомобильная дорога), не пропускать волны выше полутора метров. Усугубляется ситуация слабыми донными грунтами в районе Новороссийска. Опыты в гидроволновом бассейне показали: с виду неприступные сооружения не выдерживают напора штормового моря. В результате проведенных опытов среди предложенных для испытания проектов удалось выбрать ажурную конструкцию из вбитых в дно свай с надетыми на них бетонными кольцами, которая, пропуская волны сквозь себя, дробит самые большие из них до размера, для кораблей на якоре неопасного.

(Окончание следует)

стр. 2