Kees Floor, Zenit mei 2011. Tsunami's treden langs de Grote Oceaan geregeld op. In de vorige eeuw werden er daar bijna 800 waargenomen. Zo verwoestend als de tsunami van 11 maart in Japan zijn ze echter slechts incidenteel.

4 (links). Kaartje van de Grote Oceaan. Het epicentrum van de beving van 11 maart 2011 is gemarkeerd met een gele ster. De lijnen geven de reistijden aan van de door de aardbeving opgewekte tsunami. In diepe wateren plant de tsunami zich sneller voort dan in ondiep water. (Bron: NASA)

Op 11 maart 2011 werd Japan getroffen door een van de zwaarste aardbevingen in zijn geschiedenis. Onder andere in Tokio stonden grote gebouwen te schudden. Het epicentrum van de beving lag op zee, 130 kilometer ten oosten van Sendai op Honshu en 373 kilometer ten noordoosten van Tokio. De beving had een kracht van 9,0 op de schaal van Richter en was daarmee bijna even zwaar als die van Sumatra op 26 december 2004. In de periode vanaf 1900 waren er wereldwijd slechts drie zwaardere bevingen; naast die van Sumatra, die van Alaska uit 1964 en van Chili uit 1960.
De beving wekte een tsunami op, waardoor grote gebieden langs de kust onder water kwamen te staan. De tsunami veegde huizen, soms zelfs hele dorpen van de kaart. Auto's spoelden weg en boten werden aan de grond gezet. Olieopslagplaatsen en raffinaderijen vatten vlam en brandden ongecontroleerd uit. Maar het meest dreigend waren nog de incidenten bij de kerncentrales van Fukushima, waarvan de koeling uitviel. Daardoor kwamen radioactieve stoffen in de lucht, in het water en op de bodem terecht. Het was de ergste nucleaire ramp sinds de problemen in Tsjernobyl in 1986.

Tsunami's Tsunami's zijn vloedgolven, die in de meeste gevallen worden veroorzaakt door onderzeese aardbevingen. [1]. Ze komen vooral voor in de Grote Oceaan, waar er de vorige eeuw bijna 800 optraden. Men maakt in dat deel van de wereld onderscheid tussen lokale, regionale en de hele oceaan bestrijkende tsunami's. Lang niet allemaal brachten ze schade of eisten ze slachtoffers. In 117 gevallen gebeurde dat wel en minstens negen keer veroorzaakten ze op uitgebreide schaal dood en verderf. De afgelopen vijfhonderd jaar was er op de veel kleinere Indische Oceaan slechts één geval van een tsunami die in alle uithoeken toesloeg; dat was na een aardbeving bij Sumatra op 26 december 2004. Wel was er na de ontploffing van de vulkaan Krakatau in 1883 in de wateren rond Indonesië een tsunami met 32 meter hoge golven. Tsunami's kunnen verder optreden in de Middellandse Zee, het Caribische gebied en zelfs in de Atlantische Oceaan, zoals de tsunami van Lissabon in 1755. Figuur rechts: Tsunami van Lissabon, 1755. (uit G. Hartwig: Volcanoes and Earthquakes, 1887).

2. Wereldkaart met aardbevingsactiviteit in de periode 2000-2008. De bevingen markeren de randen van de platen in de aardkorst. Terug te vinden zijn onder andere de Pacifische plaat (1) en de Euraziatische plaat (2), die met een snelheid van gemiddeld 8 cm/jaar ten opzichte van elkaar bewegen. Langs de actieve rand van deze platen trad 11 maart 2011 bij Japan een zware aardbeving op, die een verwoestende tsunami opwekte. De kleuren van de stippen geven de diepte van de bevingen, van ondiep (rood) naar diep (groen). De diepte van de bevingen langs de oceaanranden neemt toe in de richting van de continenten. Bron: Lisa Christiansen, Caltech Tectonics Observatory.

5a (muis naast beeld): Golfhoogte van de tsunami van 11 maart 2011 op de Grote Oceaan. Tsunami's zijn in de diepe oceaan vaak niet meer dan een meter hoog en worden er daardoor niet of nauwelijks opgemerkt; in ondiepe kustwateren neemt de golfhoogte sterk toe. (Bron: NOAA Environmental Visualization Laboratory). 5b (muis op beeld): Diepte van de Grote Oceaan. In ondieper water is de golfhoogte van de tsunami lager.

Aardbevingen
Aardbevingen zijn een gevolg van de manier waarop de vaste aarde is opgebouwd. Binnenin zit een bolvormige aardkern met daaromheen verscheidene schillen. De buitenste schil, 70 tot 250 kilometer dik, is de lithosfeer.Daardoorheen loopt een wereldwijd 'web' van breuken, waarlangs de meeste grote aardbevingen optreden (figuur 2). Feitelijk bestaat de lithosfeer dus uit verschillende losse stukken, schollen of platen genoemd. In totaal zijn er zeven tot negen grote platen en daarnaast nog een aantal kleinere. Gezamenlijk bedekken ze het gehele aardoppervlak. Ze 'drijven' op de laag eronder, de asthenosfeer, en schurken langs de raakvlakken als het ware tegen elkaar aan. Bij sommige randen bewegen de platen uit elkaar. Dat is bijvoorbeeld het geval in het midden van de Atlantische Oceaan en in andere mid-oceanische ruggen. Elders lopen de breuken schuin de diepte in en wringt de ene plaat zich onder de andere (figuur 3a). Dat gebeurt onder andere langs de actieve continentale randen van de Grote Oceaan voor de kust van Zuid-Amerika en bij Japan. De spanningen die daarbij in deze zogeheten subductiezones optreden (figuur 3b), ontladen zich in aardbevingen (figuur 3c). In het geval van de beving van Japan ging het om spanning die zich in twee eeuwen had opgebouwd. De Pacifische plaat schuift in de buurt van Japan namelijk met een snelheid van 8 centimeter per jaar onder de Euraziatische plaat en tijdens deze beving trad volgens metingen in een klap een verschuiving op van maar liefst 16 meter.
De meeste zware aardbevingen, samen goed voor 80% van de energie die wereldwijd bij bevingen vrijkomt, worden op deze manier veroorzaakt en doen zich dan ook voor in subductiezones langs raakvlakken van platen in de buurt van de actieve grenzen tussen continent en oceaan (figuur 2).

a.	b.	c.	d.
3. a. Oceaankorst (subducting plate) schuift onder continentale korst (overriding plate). Een dergelijke situatie doet zich bijvoorbeeld voor ten oosten van Japan, waar de Pacifische oceaanplaat met een snelheid van 8 cm/jaar onder de Euraziatische continentale plaat duikt. Het subductieproces verloopt met horten en stoten doordat het breukvlak in het rood gemarkeerde gebied vast zit (stuck). Merk op dat het breukvlak onder de oceaan minder diep zit dan onder het continent; daardoor zijn de bevingen onder de oceaan gewoonlijk ondiep. b. Hoewel de verbinding tussen de platen in het rood gemarkeerde gebied vast zit, gaat de door de pijlen in afbeelding a) reeds aangegeven beweging van de platen onverminderd door. Daardoor treedt een langzame vervorming (slow distortion) op van de continentale plaat in een richting die wordt getoond door de donkerblauwe pijlen. De oorspronkelijke vorm van deze plaat is aangegeven met stippellijnen, de uiteindelijke vorm met getrokken lijnen. Dit proces kan tientallen, zo niet honderden jaren voortduren. c. Als door de toegenomen spanning het gebied dat vast zit plotseling scheurt, treedt er een aardbeving op, waarbij veel energie vrijkomt. Onder bepaalde voorwaarden (zie tekst) kan de aardbeving een tsunami opwekken. d. De golven van de tsunami trekken deels in de richting van het nabijgelegen continent (rechts), waar ze vrij snel na het optreden van de beving hoge vloedgolven veroorzaken. Daarnaast trekt er een golf de oceaan over, die in uitzonderlijke gevallen uren later op verafgelegen kusten eveneens aanleiding kan geven tot vloedgolven.

Bevingen onder de zeebodem
Lang niet elke aardbeving onder de zeebodem veroorzaakt een tsunami. Om een tsunami te krijgen mag de bevingshaard niet dieper dan 70 kilometer onder de oceaanbodem zitten. In de subductiezones is aan deze eis meestal voldaan. Dat komt doordat het breukvlak waar de bevingen plaatsvinden, onder de oceaan veel minder diep ligt dan onder het continent (vergelijk figuur 3a); de diepere bevingen doen zich voor verder van de kust af onder het continent. We vinden dat terug in figuur 2, waarin de diepte van de bevingshaarden is aangegeven met een kleur. De rood gemarkeerde bevingen zijn ondieper dan de groene. Zo zien we bijvoorbeeld dat bij Chili de ondiepe (rode) bevingen vooral voorkomen aan de oceaankant, terwijl de diepere (groene) bevingen meer landinwaarts optreden. Ook bij Japan is iets dergelijks te zien: het rood zit weer aan de oceaankant, het groen richting het Aziatische continent.
De aardbevingen die van een tsunami vergezeld gaan, moeten over een groot gebied een hoogteverandering van de zeebodem teweegbrengen van enkele meters. Ook daardoor al gaat het om ondiepe bevingen. Bij de beving bij Japan op 11 maart 2011 lag de haard op 24 kilometer diepte; de beving van Tweede Kerstdag 2004 bij Sumatra deed zich voor op een diepte van 18 kilometer.
Een verdere eis is dat de beving krachtig genoeg is. Bij een sterkte van minder dan 6,5 op de schaal van Richter komen geen tsunami's voor. Kleine veranderingen in zeeniveau kunnen worden waargenomen bij bevingen tussen 6,5 en 7,5, al zijn ook dan verwoestende effecten nog uiterst onwaarschijnlijk. Dat wordt anders bij nog krachtiger bevingen. Bevingen met een sterkte van 7,6 tot 7.8 kunnen vooral in de directe omgeving van het epicentrum, dus langs de kusten van het dichtstbij gelegen continent, schadebrengende tsunami's veroorzaken. Zijn de bevingen nog sterker, zoals magnitude 9,0 op 11 maart 2011, dan kan de tsunami een oceaan oversteken en wordt daardoor een veel groter gebied bedreigd

Golven
Bij aardbevingen die aan de genoemde voorwaarden voldoen, wordt het oceaanwater over de volle diepte uit zijn evenwichtspositie gebracht (figuur 3c). Onder invloed van de zwaartekracht tracht het verplaatste water zijn oorspronkelijke staat te hervinden. Daarbij ontstaan golven (figuur 3d), die zich enerzijds voortplanten in de richting van de kust van het nabijgelegen continent, waar ze vrijwel direct aankomen, anderzijds de oceaan optrekken om na 12 tot 24 uur de kusten van de continenten aan de overzijde van de oceaan te bereiken. Een kaartje met de tijden die de Japanse tsunami van 11 maart 2011 nodig had om de Grote Oceaan over te steken, is afgebeeld als figuur 4; het epicentrum van de beving is in de figuur aangegeven met een gele ster.
De golven van de tsunami onderscheiden zich op diverse punten van gewone windgolven. Zo strekken ze zich uit van oceaanoppervlak tot zeebodem; windgolven zijn daarentegen slechts een verstoring aan het wateroppervlak. Een tweede verschil betreft de golfhoogte. Tsunami's zijn in de diepe oceaan vaak niet meer dan een meter hoog (figuur 5) en worden daar niet of nauwelijks opgemerkt; in de ondiepe kustwateren is dat anders, zoals dezelfde figuur laat zien. De hoogste waarden zijn uiteraard te vinden bij de kusten van het dicht bij het epicentrum van de beving gelegen Japan, maar aan het rood oplichten van de tinten bij de kust van Kamtsjatka, bij de Aleoeten en langs de kusten van Noord-Amerika, kunnen we zien dat ook daar in ondiep water de golfhoogte toeneemt.
Verder zijn golflengte en golfperiode van een tsunami anders dan die van windgolven: de golflengte bedraagt meer dan 100 kilometer en de golfperiode varieert van 10 minuten tot twee uur. Ter vergelijking: bij windgolven is de afstand tussen twee opeenvolgende golftoppen honderd tot tweehonderd meter en de golfperiode vijf tot twintig seconde. Door deze verschillen planten tsunami's zich ook anders voort. Zo verplaatsen windgolven zich over het oceaanoppervlak met snelheden van slechts enkele tientallen kilometers per uur. Tsunami's daarentegen trekken met een veel grotere snelheid, die afhangt van de waterdiepte (figuur 6); daardoor worden er in diep water per uur grotere afstanden afgelegd dan in ondiep water (figuur 4). Bij een oceaan van 6 kilometer diep verplaatst de tsunami zich vrijwel onopgemerkt met de snelheid van een straalvliegtuig, bijna 900 kilometer per uur. Tegelijkertijd kunnen de tsunami's grote afstanden afleggen en zelfs oceanen oversteken zonder noemenswaardig energieverlies.

6. Verband tussen de voortplantingssnelheid van een tsunami en de diepte van de oceaan. Een tsunami kan binnen een dag de Grote Oceaan oversteken; voor de kleinere Indische Oceaan is een halve dag voldoende.	7. Windgolven gedragen zich anders dan de golven van een tsunami; ze gaan niet verder dan de vloedlijn. Een tsunami trekt tientallen, honderden, soms zelfs duizenden meters het land op. (groter)	8. Registratie van het zeewaterniveau van het Japanse getijstation Choshigyoko, 11 maart 2011. De rode kromme geeft het verwachte verloop van de waterstanden, de zwarte kromme het waargenomen verloop; de groene zigzaglijn toont het verschil. Van een zich terugtrekken van de zee voor het natuurgeweld toeslaat, was in dit geval geen sprake. (Bron: Japan Meteorological Agency)

Ondiep water
Als de tsunami in de buurt van de kust in ondieper water komt, gaat hij zich anders gedragen, afhankelijk van de topografie van de zeebodem, de vorm van de kustlijn en de aanwezigheid van koraalriffen. Steeds neemt de snelheid af tot enkele tientallen kilometers per uur (figuur 6) en neemt de golfhoogte toe (figuur 5). Daardoor kan een tsunami op volle zee niet opgemerkt zijn en toch bij de kust een hoogte bereiken van enkele tientallen meters. Daar wordt een deel van de golf teruggekaatst, terwijl de tsunami tevens energie verliest door wrijving met de bodem. Toch blijft er voldoende kracht over om verwoestingen aan te richten en een kuststrook van honderden meters breed onder water te zetten. Daarbij vallen gewoonlijk talrijke slachtoffers. Een belangrijk verschil tussen tsunami's en windgolven is dus ook dat ze veel verder het land op trekken dan windgolven (figuur 7).
In veel gevallen trekt de zee zich op de nadering van een tsunami eerst terug; een enkele maal gaat daaraan een lichte, onschuldige stijging van het waterniveau vooraf. Het terugtrekken van de zee, soms een kilometer of meer, is in zulke gevallen een belangrijk signaal dat er een tsunami op komst is, zeker als er eerder al een beving is gevoeld. Door onbekendheid met de voorspellende waarde van het verschijnsel, gaan mensen vaak het strand op om vissen en schaaldieren te rapen of vrijgekomen kliffen te bekijken. In de meeste gevallen zullen ze hun activiteit of nieuwsgierigheid met de dood moeten bekopen.
Bij de Japanse tsunami van 11 maart gaf de natuur deze waarschuwing echter niet af, zoals de registratie van het zeewaterniveau van het Japanse getijstation Choshigyoko laat zien (figuur 8). Daarop is ook zichtbaar dat tussen twee golftoppen in de zee zich kan terugtrekken. Daarbij voert het terugstromende water wrakstukken, bomen en slachtoffers mee naar zee. Bij een tsunami moet men altijd rekening houden met meer dan één vloedgolf, temeer daar de eerste golf niet de hoogste hoeft te zijn uit de reeks. Tegelijkertijd kunnen er sterke, ongebruikelijke zeestromingen optreden.

Tsoenami komt uit het Japans. Tsoe (boven) betekent haven, nami golf.	Vaak worden tsunami's afgebeeld als een gigantische, overslaande golf met een over de kustlijn buigende golftop.

Muur van water
Vaak worden tsunami's afgebeeld als een gigantische, overslaande golf met een over de kustlijn buigende golftop, maar in de praktijk is dat zelden het geval. Veeleer treedt er een snelle stijging op van de waterstand, zonder golfvorm. Het verschijnsel lijkt op het opkomen van de vloed, maar dan veel sneller. In andere gevallen vertoont de tsunami die de kust bereikt, een verticale wand van turbulent water, die uiterst verwoestend kan zijn (figuur 1).
De hoogte van een tsunami is niet direct te meten zonder levensgevaar. De grootste hoogte wordt bereikt boven land. De hoogte boven zeeniveau van het hoogste punt waar het water nog is gekomen, geldt als hoogte van de tsunami, ook al kan het water tussen dat punt en de kustlijn hoger gestaan hebben. De hoogte wordt bepaald door plaatsen in kaart te brengen waar nog afval uit zee ligt of waar de vegetatie schade heeft opgelopen door het zilte zeewater. Of de directie van de kerncentrales in Fukushima deze methode ook heeft toegepast bij haar bewering dat de centrales werden getroffen door een golf van 14 meter hoogte, is onduidelijk.

Schade
Tsunami's brengen schade door overstromingen en door het beuken van golven tegen gebouwen. Daarnaast veroorzaakt het naar de oceaan terugstromende water erosie en tast het de funderingen aan van gebouwen, bruggen en kades. Ronddrijvende voorwerpen, boten en auto's worden ongeleide projectielen, die schade toebrengen aan bouwwerken, pieren en voertuigen. De indirecte schade kan nog veel groter zijn, bijvoorbeeld als uit beschadigde schepen of olieopslagplaatsen lekkende brandstof in vlammen opgaat. Ook kan de omgeving verontreinigd raken als riolen stuk gaan of opslag van chemicaliën lek raakt. Met al deze problemen kreeg men dit jaar ook in Japan te maken.
Reeds voor de tsunami in de Indische Oceaan van 2004 maakt men zich zorgen over het in het ongerede raken van koelwaterinstallaties van bij de kust gelegen kerncentrales. In het gebied waar het natuurgeweld toen optrad, waren gelukkig geen kerncentrales gebouwd. In de dichtbevolkte en sterk geïndustrialiseerde kustrook van Japan was dat wel het geval en werd de vrees in 2011 alsnog bewaarheid.

9. Foto van een deel van het rampgebied (omgeving Higashimatsushima en de baai van Ishinomaki) vanuit het internationaal ruimtestation ISS, 13 maart 2011. Naar zee weggelekte olie heeft door zonneglinsteringseffecten een relatief lichte tint. (Bron: NASA/ISS026-E-33647)	9. Foto van een deel van het rampgebied (omgeving Sendai) vanuit het internationaal ruimtestation ISS, 14 maart 2011. Naar zee weggelekte olie heeft door zonneglinsteringseffecten een relatief lichte tint. (Bron: NASA/ISS026-E-34079)

ISS-foto
Satellietmetingen en foto's vanuit het internationaal ruimtestation (ISS) van 11 maart bevatten voor zover bekend geen aanwijzingen van de tsunami. [2]. De schade achteraf is er echter wel op terug te vinden. We laten hier drie voorbeelden zien. [3]
Figuur 9 toont een ISS-foto van 13 maart, dus 2 dagen na de natuurramp. We zien de stad Higashimatsushima en de baai van Ishinomaki. Landbouwgrond en delen van het stedelijk gebied staan nog onder water of zijn bedekt met modder. In de regio bevinden zich ook olieraffinaderijen. Bij sommige daarvan brak brand uit en lekte olie weg. Een deel van die olie drijft op het moment van de opname nog op het water van de baai van Ishinomaki. De olie is extra goed zichtbaar door het optreden van zonneglinstering. Door dit verschijnsel neemt het contrast tussen het sterker reflecterende verontreinigde water en de overige delen van het wateroppervlak toe. De olie is op de foto daardoor licht van tint. In feite zien we de olie niet zelf, maar gebieden waar het water rustiger is. Het optreden van rustiger water kan ook andere oorzaken hebben, vooral bij de kust; niet elke lichte vlek hoeft daardoor te corresponderen met een olievlek. [4]

10a. Satellietbeelden van een deel van de getroffen regio langs de noordoostkust van Japan bij Rikuzentakata. (a) 14 maart 2011, (b) augustus 2008. Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. (Bron: NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS en U.S./Japan ASTER Science Team).	11. Overzicht van de uitval van elektriciteit (rood) in het rampgebied, gebaseerd op metingen in het zichtbaar licht van de F-18 satelliet van het U.S. Air Force Defense Meteorological Satellite Program (DMSP). Gegevens van 12 maart 2011 werden vergeleken met oudere data uit 2010. In de gele gebieden is de stroom niet uitgevallen. (Bron: NOAA National Geophysical Data Center)

Satellietbeelden
Een vergelijking van de situatie voor en na de ramp is gegeven in figuur 10. De satellietbeelden tonen een gedeelte van de noordoostkust van Japan, met aan baaien gelegen kustplaatsen als Kesennuma (73000 inwoners, onder), Rikuzentakata (25000) en Ofunato (42000). Het linker beeld van figuur 10a is van 14 maart 2011, drie dagen na de ramp; het beeld rechts van augustus2008 dient ter vergelijking. Op de beelden is vegetatie rood en water blauw; bebouwd gebied en kale grond zijn blauwgrijs. Bij nauwkeurige inspectie van de kuststrook blijkt er vegetatie verdwenen, veelal weggespoeld door de kracht van het natuurgeweld. Volgens de Engelstalige Japanse krant The Mainichi Daily News was Rikuzentakata volledig weggevaagd. De vorm van de kustlijn is anders geworden. Een langgerekte dam met direct daarachter veel vegetatie, is verdwenen. Meer landinwaarts staat nog steeds landbouwgrond onder water (figuur 10b, muis naast beeld). De beelden zijn gebaseerd op metingen van de Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) op de Amerikaanse satelliet Terra. Figuur 10c toont MODIS-beelden van voor en na de ramp.
Het satellietbeeld van figuur 11 tenslotte toont de gevolgen van de tsunami voor de elektriciteitsvoorziening in Japan. Het beeld is gebaseerd op nachtelijke metingen in het zichtbaar licht van 12 maart 2011 en eerdere waarnemingen uit 2010. De meeste satellieten met sensoren in het zichtbaar licht zien 's nachts onvoldoende om bruikbaar beeldmateriaal op te leveren, maar de satellieten van het U.S. Air Force Defense Meteorological Satellite Program (DMSP) vormen daarop een uitzondering. Ze kunnen 's nachts de verlichting van steden en verstedelijkte gebieden detecteren. In figuur 11 zijn de gebieden waar het licht brandde zowel in 2010 als op 12 maart 2011, geel. Het gaat om grote delen van Tokio en de regio's meer naar het zuiden. In de rode gebieden was de stroom op 12 maart uitgevallen. Blauw is bewolking; als door de bewolking nog licht kan worden waargenomen, ontstaan groene tinten.

10b. Satellietbeelden van een deel van de getroffen regio langs de noordoostkust van Japan bij Rikuzentakata. (a) 14 maart 2011, (b) 1 maart 2007. Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. (Bron: NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS en U.S./Japan ASTER Science Team).	10c. Satellietbeelden van een deel van de getroffen regio langs de noordoostkust van Japan. (a) 13 maart 2011, (b) 26 februari 2011. Instrument: ASTER. Satelliet: Terra. (Bron: NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS en U.S./Japan ASTER Science Team).

Voetnoot
[1]. Soms spreekt men in zo'n geval van zeebevingen; omdat het de aarde is die beeft, en niet de zee, is dit een ongelukkig gekozen term die we hier verder niet zullen gebruiken. Terug
[2] De tsunami in de Indische Oceaan van tweede Kerstdag 2004 werd wél vanaf satellietplatforms waargenomen: met een onder een scheve hoek op het aardoppervlak gerichte camera op de Amerikaanse satelliet Terra en met hoogtemetingen van de ruimteradar op de Frans-Amerikaanse satelliet TOPEX-Poseidon. Zie Zenit april 2005.
[3] Meer voorbeelden zijn te vinden op het Earth Observatory.
[4] Zie verder Zenit juli/augustus 2009.