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阿拉斯加地震，夏威夷海滩泳者遭殃——流体力学的魅力浅说（3）
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阿拉斯加近海发生一场强烈地震，导致夏威夷海滩上的游泳者数十人丧生！这是天方夜谭的传闻？还是科幻小说的虚构?不！是活生生的现实，发生在1962年的真实故事。1985年我给研究生开讲“水波动力学”以来，至少给500人次讲过这个故事。需要声明的是：故事的原创者不是本人，而是麻省理工学院的梅强中教授，他1981年受中科院副院长周培源之邀，在北京的应用数学讲座中讲授水波动力学（同时受邀讲其它问题的有易家训、吴耀祖教授），就曾绘声绘色地讲述过此事；严格说来，他也不是真正的原创，而是根据一位流体力学家Kajiura1964年写的一篇文章加以发挥的。
阿拉斯加与夏威夷相距几千公里，是什么样的幕后黑手，能把阿拉斯加的灾害抓起来加害于夏威夷欢乐的度假人群？是海水，海水中的特长波浪——海底地震激发的地震海啸（tsunami）！
大家还记得2004年的圣诞前夜发生的印度洋大海啸吧！几十万人顷刻之间被巨浪吞啮了生命，高楼大厦在海啸中摧枯拉朽地倒塌！其中，有一位传奇式的九岁的英国小姑娘特里莎，不知各位是否有印象？当她在出事的海域随父母游泳时，发现海水突然变浑浊，而且在不该退潮时突然大幅度后撤，她机灵地告诉父母：地震海啸要来了，跟我的老师讲过的情形一模一样！她父母相信她的话，还告诉周围人群，赶紧逃命！从而挽救了一批人的生命，小姑娘特里莎因此上了《泰晤士报》头条。
这一切是怎么回事？地震海啸为何有这种怪异的脾气？要阐释这一现象的理论工具很简单，只要用到最简单的水波动力学原理，甚至于不必借助于非线性的复杂表述。先做极其粗略的假设：水的波动是不可压缩的、无粘性、无旋的流动，在线性理论框架下，用到的数学工具特别简单：人们熟悉的积分变换。只要知道地震扰动的形式，问题的解析解可以很快求出来，只不过深层次的分析还要借助于更高级的数学工具——渐近分析，这里难以细表，在我校乐乎论坛卢东强研究员的博客里有详细的渐近分析资料。
大家知道，“无风不起浪”，在平静似镜的水面上，突然涌起波浪，无非来自四种因素：水面有强风掠过，水面受到强烈冲击（如舰船驶过、扔下炸弹等），水面突然拱起或下沉，水底突发强烈扰动（如海底地震、海底火山爆发等）。看起来似乎复杂，但若用上述数学描述，这四种因素如同“一门四兄弟”，可以一视同仁地进行处理。也就是说，地震海啸导致的灾难跟海面上扔下一枚原子弹一样，可以类似地进行数学分析。
采用科学方法论，我们可以把其它因素搁置起来，仅仅考虑地震海啸一种因素，经过严密的数学分析后发现：
1）只有一定型式的海底地震才会引发地震海啸；对称型的地震扰动不会引起海啸，而非对称型的扰动则容易导致海啸；
2）地震海啸是一种极长的波，衰减得极慢，所以，在阿拉斯加沿海海底地震产生的海啸，可以传播到夏威夷海滩；
3）地震海啸的先导波的形式很怪，在一定的条件下，它可以用一种特别的特殊函数——艾里函数（的导数）来描述，它是一个“准周期函数”，周期很长，波幅衰减得很慢，最要命的是：一开始是一个巨大的塌陷，就是小姑娘特里莎看到的“意外退潮”，这实际上给游泳者一个“迷人的陷阱”，促使他们盲目游向海洋深处；接着，“索命鬼”来了，后面的浪头一个高过一个，没有多久，就可增加到十米、几十米，这时再想逃命，就为时已晚了！
所以，有一点流体力学知识，有时会给你一个“护身符”，特里莎的老师的话很有科学依据，所以她能在地震海啸到来之时挽救一批人的性命。我想，如果真正听懂我的水波动力学课的年青人也在那个现场，他们也能够成为“救人明星”。
写于2010年8月23日
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