Jaapanis kohtus kolm purustavat jõudu
Teadlasi on ikka huvitanud, kas maavärinat saaks ennustada. Ja et kas saaks ennustada, kas ja kui suur tuleb maavärina tekitatud tsunami. Ning kas saab ennustada ohtusid, mida tuumajaamadele võivad tekitada loodusjõud.
Maavärinad
Tegelikult pole raske ennustada maavärinat, vaid selle suurust. Sama raske nagu suuri relvakonflikte, börsihindade kõikumist, südame töö häireid, interneti võrgustiku hangumisi, inimeste omavaheliste kontaktide sõlmumist. Põhjus on looduslik, mitte inimlik. Maavärinad on oma olemuselt skaalavabad ehk mastaabiinvariantsed. See tähendab, et laias iseloomulike mastaapide vahemikus pole üh-tegi sellist mastaapi, mis oleks mingil füüsikalisel põhjusel teistest mastaapidest tähelepanu-väärsem. Esinevad küll karakteersed ajavahemikud, ent need on lühiajalised.
Näiteks võtame inimese: südamelöögi periood on üks sekund, vererõhu võnkumiste periood umbes 20 sekundit, lisaks on pikk, 24-tunnine aktiivsus-tsükkel. Kuid laias, umbes 12 oktaavi hõlmavas vahemikus (20 sekundist alates ja ööpäevaga lõpetades) ei ole enam ühtegi füsioloogiliselt tähelepanuväärset mastaapi. Maavärin on võr-reldav inimese eluga. Ka selle puhul ei ole tähelepanuväärsemat mastaapi. Mis tähendab, et ei ole nõnda, et hiiglaslikke maavärinaid peaks olema kergem ennustada kui tillukesi.
Skaalavabadus võib esineda suhteliselt lihtsas vormis nagu enesesarnasuse ehk fraktaalsusena. Näiteks puuvõra, puuoks, puuleht kordavad kujult üksteist põhimõtteliselt. Kuid esineb ka multifraktaalsust, mille modelleerimiseks läheb vaja tervet astmenäitajate spektrit. Skaala-vabadust kirjeldab astmeseadus, mis ütleb, et pole olemas sellist asja nagu normaalne või tüüpiline fragment. Pole olemas maa-värinate tüüpilist järgnevust. Nii nagu pole olemas majanduskriiside ja -tõusude tüüpilist järgnevust. Sellest seadusest tuleneb ka Pareto jaotusseadus, mille ühe rakendusena on tuletatud kuulus 80-20 reegel: 80 protsenti maailma rikkusest on 20 protsendi inimeste kätes.
Jaapani Honshu¯ saare idaranniku maavärina magnituudiks on hinnatud 9,0. Selles vabanenud energia oli 8000 korda suurem läinud kuul Uus-Meremaal Christchurchis toimunud maa-värinast, mille magnituud oli 6,3.
Jaapan paikneb keerulisel alal, kus kohtub kolm subduktsioonitsooni ehk ala, kus üks mandrilaam teise alla suundub. Kaks neist kulgevad paralleelselt Jaapani idarannikuga (vt graafik).
Läinud nädala reedel toimunud maavärina seismilisi laineid registreeris hulgaliselt maailma seismomeetreid. Nende andmete põhjal selgus, kuidas Maa selles maavärinas deformeerus nagu kummipall (vt graafik). Rebendi pikkuseks hinnatakse 300–400 km ja see liikus umbes 10–20 meetri võrra. Jaapani GPS-jaamad mõõtsid, et enamik Honshu¯ saare idaosast liikus mõne meetri võrra itta ning mõnevõrra ka kerkis.
Suurte maavärinate magnituudi mõõtmine on keerulisem kui pisikestel. Et määrata maavärina magnituudi, tuleb mõõta selle tekitatud seismiliste lainete amplituudi. Mida suurem on lainete amplituud, seda suurem on maavärina magnituud. Suurte maavärinate puhul aga katkeb see sõltuvus sagedustel, millel tavaliselt maavärina suurust mõõdetakse. Seismilised lained justkui küllastuvad ja nende amplituud enam ei suurene. Nõnda tuleb suurte maavärinate puhul jälgida madalama sagedusega seismilisi laineid.
Reedese maavärina järel toimus Chicago ülikooli tektoonikale spetsialiseerunud geoloogi Chris Rowani hinnangul enam kui 250 järeltõuget, millest kuuest suurema magnituudiga oli umbes 30. Kuid ka enne suurt maavärinat täheldati seismilist aktiivsust. Kolmapäeval toimus maavärin magnituudiga 7,2, millele järgnesid pisemad, neist kolm magnituudiga 6,1. Kuid Rowani kinnitusel ei oleks neist saanud suurt maavärinat ennustada, kuna eeltõuked hääbusid vahetult enne põhitõuget (vt graafik).
Tsunamid
Selle maavärina tagajärjel tekkis väga vähe purustusi, kuna Jaapani ehitusnormid on karmid ja maavärinate turvameetmed tõhusad. Põhilise hävitustöö tegi kümnemeetrine tsunamilaine, mis paiskus Jaapani rannikule vähem kui tunni pärast. Kuigi maavärinat põhjustanud algrebend asus 150 km kaugusel vaost, kus laamapiir kohtub merepõhjaga, liikus see enamjaolt ülespoole, mis pani vertikaalselt liikuma ka merepõhja ning sellega koos seda katva merevee, mis tekitaski tsunami. Kuigi 40 protsenti Jaapani rannikust on hiigellainete vastu kaitstud betoonist müüridega, ei aidanud need, kuna laine oli liiga kõrge.
Tsunami purustusjõud ei seisne kõrguses, vaid suures lainepikkuses. Tavaline laine kerkib, paiskub rannale ja hääbub mõne sekundiga. Tsunamilaine kerkib, hakkab hääbuma ja jääbki hääbuma minutiteks. Põhjuseks on, et laine rannal aeglustub, kuid tagant tuleb peale kiirem laine. Tekib veekuhjatis. Kui laine on kõrgem rannaastangust või kaitserajatisest, siis tormab see kilomeetreid sisemaale, hävitades kõik enese ees. „Võime ennustada tsunamilaine teed ja kiirust, kuid selle kõrgust kindlas paigas on väga raske ette näha,” kommenteerib Buffalo ülikooli geoloogiaprofessor Greg Valentine, „tegu on vedelikudünaamika üksikasjade mõistmisega.” Tema kinnitusel võivad ka maavärinad magnituudiga üle kuue tsunamilaineid tekitada.
Tsunamilaine levis ka Vaiksele ookeanile, seitse tundi hiljem Hawaiil oli selle kõrgus kuni kaks meetrit, kuid et hoiatus oli jõudnud pärale ja laine saabus mõõ-na ajal, siis olid purustused minimaalsed. Olulisemaid kahjustusi esines Põhja-Californias, kus rannajoone kuju soodustas tsunamilaine kerkimist.
Tsunamilaine liigub väga kiirelt: ookeanis, mille sügavus on 5000 meetrit, umbes 800 km tunnis, 500 meetri sügavuses meres kolm korda aeglasemalt. Rowani sõnul alahindasid seismoloogid maavärinaid, mida Jaapani subduktsioonitsoon võib tekitada. Nad hindasid maksimaalseks magnituudiks 7,5 ehk 150 korda pisema võimsusega maavärinate võimalust. Pole ime, sest ajakirja Scientific American andmetel toimus viimane nii suur maavärin Jaapani laamade piiril 1200 aasta eest.
Tuumajaamad
Tuumajaamad võidakse teha nii turvalised kui vähegi saab, ent lõpuni pole võimalik katastroofe ennustada. Fukushima jaama puhul olid ette nähtud nii kaitse tsunami vastu, maavärinakindlus kui ka kaitsesüsteemid, mis automaatselt pidanuks avarii-olukorda vältima. Ei oldud aga arvestatud tsunami jõuga ja sellega, et kaitsesüsteem vajab elektrit, aga kui generaatoriruum on veest üle ujutatud, siis elektrit pole ja akud ei anna seda ka enam kui paari tunni vältel.
Tuumajaama jahutamise põhimõte on lihtne – tuleb vesi südamikule suunata ja soojus minema juhtida. Reaktoris toimuv ahelreaktsioon peatub põ-himõtteliselt sekunditega. Kuid radioaktiivne materjal jätkab soojuse kiirgamist veel pikka aega. Kui seda soojust minema ei juhita, siis võib kahjustuda radioaktiivne kütus või reaktor.
Selle tarbeks on hädaolukorra diiselgeneraatorid ja akusüsteem. Keeva vee reaktoris nagu Fukushimas pole vaja välist energiat, et keerutada turbiini ning ühtlasi juhtida külma vett südamikule. „Sedasorti süsteem on projekteeritud vastu pidama maavärinale ja mingi aeg toimima,” kinnitab USA tuumaregulatsiooni komisjoni NRC avalike suhete juht Scott Rurnell. Isegi kui pole võtta energiat ei tuumajaamalt ega väljast, on võimalus, et auru poolt käivitatud pump jahutamist jätkab.
Fukushima Daiichi tuumajaam lülitub maavärina peale automaatselt välja. Ent sedapuhku tekkis jahutamisega raskusi ja kaks reaktorit sulasid osaliselt üles. Reaktoris asuvad tsirkooniumsulamist kestas vette pistetuna uraani sisaldavad kütusevardad. Tuumareaktsioonist tekkinud soojus muudab vee auruks, mis käitab turbiine, et saada elektrit. Väljalülitumisel liiguvad kontrollvardad kütusevarraste vahele, et peatada tuumareaktsioon. Need toimisid hästi. Reaktsioon peatus, kuid vardad jätkasid soojuse eraldamist. Elekter katkes ja vett hakati lisama tuletõrjesüsteemi abil, ent see aurustus kiiremini, kui suudeti peale anda uut.
Princetoni ülikooli füüsika-professor Frank von Hippel kommenteeris ajalehele New York Times, et Jaapani juhtum on hullem, kui oli USA-s 1979. aastal Three Mile Islandil toimunu, ohtlikkuselt teine pärast Tšernobõlit. „Kui reaktori südamik üles sulab, siis võib aur plahvatades välja paiskuda,” ütles ta. Loodusjõudude tekitatud katastroof pole kahjuks veel lõppenud.
„Keskkonnad on lõputult erinevad, ja tulevikus eksisteerivad keskkonnad, mida ei esine praegu,” kirjutas teravmeelne ja tark Ukraina-Ameerika evolutsioonibioloog Theodosius Dobzhansky umbes poole sajandi eest. Tema sõnade üle tasub mõelda.
Samal teemal vt ka:
Tiit Kändler, „Hiidlainete eest saab hoiatada vaid teadlikke elanikke”, EPL, 22. okt 2009
