2004年12月26日，一系列毁灭性的海浪袭击了印度洋周围的海岸线，造成了有记录以来任何海啸中最大的人员伤亡。海浪摧毁了整个城市和村庄，在短短几个小时内造成超过225,000人死亡，并至少使一百万人无家可归。
这场令人震惊的灾难突显了一个重要的事实：随着世界各地沿海地区人口的激增，海啸构成的风险比以往任何时候都更大。与此同时，这次海啸是历史上记录最详尽的一次——为学习如何在未来避免此类灾难提供了独特的机会。从泥水吞没海边酒店的家庭录像，到卫星测量海浪在开阔海洋中的传播，大量涌入的信息在几个方面重塑了科学家的认知。
首先，海啸的惊人起源——它来自以前被认为不太可能产生巨浪的地点——使研究人员确信要扩大他们可能的危险区域列表。新的观测还为计算机模拟提供了首次全面的测试，这些模拟预测海啸将在何时何地袭击以及它在陆地上将如何表现。更重要的是，这一事件揭示了地震的细微复杂性对海啸的大小和形状施加了非常强大的影响。从这些发现中改进的模型将与新的监测和预警系统协同工作，以帮助拯救生命。
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大地震之前
研究人员早就知道，几乎所有产生海啸的地震的滋生地都是俯冲带。这些区域以海底巨大的海沟为标志，形成于地球外壳的构造板块之一俯冲到另一个板块之下的地方。重力以及地球地幔深处粘性物质的运动共同作用，使板块彼此滑动，但浅层地壳中的摩擦暂时将它们锁定在一起。结果，应力在两个板块之间巨大的界面或断层上积聚。有时，这种应力会以大地震的形式突然释放。下方的板块进一步下沉，猛烈地将上方的板块向上弹起——上覆的海水也随之移动。由此产生的海啸的大小取决于海底移动的程度。一旦产生，海啸就会分裂成两部分；一部分迅速向内陆移动，而第二部分则朝向开阔的海洋。
在印度洋东部，印度尼西亚苏门答腊岛西海岸外，印度板块沿着苏门答腊俯冲带滑到欧亚板块下方。该断层带的南部过去曾发生过大型（震级 9 级）地震，最近一次是在 1833 年；加州理工学院的克里·西耶及其同事发现了被这些事件抬升的古老珊瑚礁。专家们正在关注那里是否会再次发生大震动。
但是，当 2004 年 12 月产生海啸的事件起源于该区域的上部，即苏门答腊岛西北部时，他们感到困惑。之前的记录显示，该区域近海断层的运动速度要慢得多，因此尚不清楚应力是否能够积累到足以导致如此剧烈的震动的程度。然而，后来的分析表明，9 级地震使 1200 公里长的海底抬升了高达 8 米，因为它释放了一个加利福尼亚州大小的断层带区域——使正常海平面以上的数千立方公里海水发生位移。因此，调查人员现在正在考虑阿拉斯加、波多黎各和其他类似俯冲带附近可能存在的其他海啸威胁。
苏门答腊-安达曼地震发生在当地时间上午 7:59，不久之后，全球地震台网向夏威夷埃瓦海滩的太平洋海啸预警中心发出了警报。尽管那里的地球物理学家是最早获悉该地区以外地震的人员之一，但他们无法确认一场致命的海啸正在印度洋上汹涌澎湃，直到他们收到有关正在发生的灾难的第一份新闻公报。[中断]
在太平洋，世界上 85% 的海啸发生在那里，称为海啸仪的远程传感器可以探测到近海海啸，并在海浪登陆前警告太平洋中心的科学家以及阿拉斯加州帕尔默的第二个中心的科学家[参见弗兰克·冈萨雷斯撰写的“海啸！”；《大众科学》，1999 年 5 月]。但是，印度洋没有这种技术，也没有建立向沿海地区人民传递预警的通信线路。尽管第一波海浪花了两个多小时才到达泰国、斯里兰卡和许多受灾最严重的地区，但几乎所有人都在措手不及。
在开阔的海洋中
那年十二月的那一天永远改变了世界对海啸可能造成的破坏程度、它们可能袭击的地点以及如此多的社区是多么毫无防御能力的认识。从那时起，国际组织一直在争先恐后地纠正这种情况。与此同时，研究人员一直在深入研究这场灾难留下的线索，以加深他们对海啸如何开始、传播以及随后冲击海岸的理解——并更好地预警下一次海啸。
15 年来，日本和美国的研究人员一直在开发计算机模型，模拟海啸如何在开阔的海洋中传播。然而，在此之前，研究人员几乎没有观测结果可以与他们的理论进行比较。所有海啸传播模型都需要两个关键的起始变量：对变形海底的位置和面积的估计，研究人员根据地震的震级和震中进行估计，以及对位移水的高度或振幅的测量。只有在直接观测到开阔海洋中的海啸波后，才能充分推断出后一个变量以进行实时预测。
但是对于以前的重大海啸，科学家们只有潮汐仪在海岸附近记录的测量结果，或者测量员后来从陆地上的水害估计的结果。主要问题是，在近岸，海啸的实际大小被额外的海浪掩盖了，这些海浪是在海啸从海堤反弹、环绕岛屿或在海湾中来回晃动时产生的——所有这些都形成了一个非常混乱的信号。
纯属巧合的是，三颗地球监测卫星为建模人员提供了印度洋海啸所需的原始、未失真的波高。卫星恰好在地震发生后两到九个小时之间在区域上空运行，首次对海啸在开阔海洋中传播进行了雷达测量。结果首次证明，正如人们所怀疑的那样，开阔海洋中只有半米高的水隆起确实可以转变成在陆地上造成如此大破坏的滔天巨浪。
卫星的地面速度约为每秒 5.8 公里，它还提供了海啸振幅的第一个连续断面——也就是说，它们沿着海啸的传播路径连续监测海浪，而不是像潮汐仪那样在单个地点进行测量。事实证明，模型和测量的波高彼此非常吻合，验证了关于海啸如何在开阔海洋中移动的一般理论——并证实当前的建模范式是公共安全的有用工具，即使对于最大的海啸也是如此。
全球范围
海啸的全球范围进一步证实了这些模型对于预测是可靠的。由于深海中的海啸以与喷气式客机大致相同的速度（每小时 500 至 1,000 公里）移动，因此第一波海浪用了不到三个小时就从苏门答腊岛北部和安达曼群岛向东传播到缅甸（缅甸）、泰国和马来西亚，向西传播到斯里兰卡、印度和马尔代夫。在 11 个小时内，它袭击了 8,000 公里外的南非海岸，这是报告海啸相关死亡事件的最远地点。
但是海浪并没有就此停止。大约在悲剧登上新闻头条的同时，科学家们开始从世界各地的潮汐仪站获得记录。在其向西的路径上，海啸绕过非洲南部顶端，然后分裂，因为它向北穿过大西洋；一个分支朝向巴西，另一个分支朝向新斯科舍省。在其向东的路径上，海啸穿过澳大利亚和南极洲之间的缺口，进入太平洋，最北端到达加拿大。自 1883 年喀拉喀托火山爆发以来，还未曾听说过海啸传播得如此之远。[中断]
当海啸的整个路径在美国国家海洋和大气管理局领先的计算机模拟 MOST（method of splitting tsunami的缩写，意为海啸分裂方法）上播放时，模拟的波高与各个潮汐仪站的测量结果非常吻合。更重要的是，该模型揭示了海啸如何传播如此之远。印度洋事件的模拟波高图显示，它们在洋中脊沿线最高。这些洋中脊将一个海洋盆地与下一个海洋盆地连接起来，似乎比其他方式更能引导波浪能量传播得更远。了解这种效应对于预测很有帮助，因为建模人员可以更好地估计最强波浪能量最有可能到达的位置。
直接后果
预测海啸一旦登陆后的行为是一个更大的挑战。与海啸中总是发生的情况一样，12 月事件的海浪在进入浅水区时逐渐减速。当涟漪到达海岸时，波峰之间的距离在开阔的海洋中为数百公里，已经减少到 15 或 20 公里。但是，由于快速流动的水仍然从后面推动，波峰越来越高，在苏门答腊岛亚齐省（第一个受灾地区）超过 30 米。
海浪仍然以每小时约 30 至 40 公里的速度移动，席卷内陆——在班达亚齐市的部分地区超过 4 公里。它们也以同样的猛烈程度退去，将它们在进入途中拾起的任何东西都带到远处的海中。在所有被淹没的海岸线上，海浪冲击海岸数小时。并且由于波峰之间间隔 30 分钟或更长时间，许多人不幸地返回海滩，却遭到后续海浪的袭击。对自然环境的累积破坏是如此巨大，以至于太空中的宇航员都能看到；而且变化也极其多样。
考虑到涉及的许多因素，模型如何可靠地预测这种变化？直到 1990 年代初期，由于未解决的计算复杂性，即使是最好的模拟也在水边或近海结束了它们的计算。然后，调查人员使用最后的高度来估计海啸将爬升到内陆多远。但是，对海啸灾难的初步仔细调查表明，他们的估计存在很大偏差。1992 年袭击尼加拉瓜的海啸是科学家首次进行全面的实地测量，以与模型预测进行比较。某些地方的洪水水位比模型预测的高出 10 倍。
美国和日本的建模人员之间很快展开了一场竞赛，他们寻求通过计算海啸在陆地上的整个演变过程来更准确地描述淹没情况。通过大规模实验室实验和后续海啸的现场测量相结合，调查人员改进了日本的 TUNAMI-N2 和美国的 MOST 模型，直到它们可以很好地匹配大多数过去海啸的淹没模式——只要有关于沿海和近海地形的高分辨率数据可用。然而，这些研究人员并不知道这些模型对于最大的海啸是否也同样有效。事实证明，尽管沿海景观的细节相对缺乏，但这些模型比预期的更好地匹配了印度洋的洪水情况。
印度尼西亚和其他地方的海啸后调查人员很快注意到，仅靠洪水深度的预测并不总是能预示海啸的全部影响。在泰国和斯里兰卡的许多地方，陆地上的海啸深度不到 4.5 米，但破坏程度却堪比亚齐，那里的水深是其六倍。另一个令人震惊的现实是，在班达亚齐，海浪摧毁了一栋又一栋钢筋混凝土结构，这些结构可能经受住了地震的震动。
为了解释破坏的程度，土耳其安卡拉中东技术大学的艾哈迈特·C·亚尔西纳和我们其中一位（西诺拉基斯）正在设计新的破坏指标——沿海工程师可以用来评估海啸波浪对结构的力的标准——这些标准也考虑了强大的水流，海啸洪水中的水流比正常潮汐和风暴浪中的水流强得多。[中断]
令人震惊的意外
关于印度洋海啸，可以说最大的科学难题是地震本身。即使是地震的震级仍在争论之中，一些估计高达 9.3 级。尽管这次地震是自 1964 年阿拉斯加地震以来最大的一次地震，但描述苏门答腊-安达曼断层如何产生如此巨大的海啸一直是一个挑战。
无论如何衡量，这次地震都非常复杂。通常，断层滑动在开始时，即靠近其起源处最大。然而，在某些情况下，断层破裂始于少量滑动，表明地震将很小，然后撞击断层的薄弱或高应力部分，从而猛烈释放，导致更大的地震和海啸。这就是 2004 年海啸发生的情况。这种情况很难及时分析以发出有用的预警。
美国国家海洋和大气管理局的海啸预测模型针对这一令人困惑的事件进行了测试。仅使用地震数据运行模型会低估开阔海洋中的海啸高度 10 倍或更多。加入第一次海啸振幅的直接测量，该测量在地震发生后约三个半小时从科科斯岛的潮汐仪站到达科学家手中，极大地改善了结果。但仍然缺少一些东西。
在地震发生后的几天里，对地震强烈地震波的分析表明，最初的断层破裂以每秒 2.5 公里的速度向北从苏门答腊岛加速。他们还查明了最大滑动的区域——以及最大的海啸产生区域。海啸建模人员面临的问题是，这些地震解决方案都没有包含足够的整体断层运动来重现卫星对开阔海洋中波高的观测或班达亚齐的严重洪水。
关键线索来自陆基站，这些陆基站使用全球定位系统 (GPS) 跟踪比地震波产生的地面运动慢得多的地面运动。这些测量结果表明，断层在停止释放地震能量后继续滑动，尽管速度很慢。尽管断层可以滑动多慢仍然会产生海啸是有限制的，但最有可能的是，这种经常被忽视的现象（称为震后滑动）解释了令人惊讶的海啸高度。如果是这样，那么将连续 GPS 读数纳入可能是未来海啸预警系统的重要组成部分。
命中或错过
任何给定地震中的具体因素显然对海啸施加了可怕的控制。仿佛要强调这一点，地球在 2005 年 3 月 28 日沿着同一断层再次产生了一次巨大的地震。最初的破裂发生在距离苏门答腊岛海岸线相等距离处，并且几乎与 12 月地震的海底深度相同，两次震动都是自 1900 年以来记录的十大地震之一。然而，它们产生了截然不同的海啸。
看到 3 月份的地震在他们的计算机屏幕上闪烁为 8.7 级地震，太平洋海啸预警中心和其他地方的科学家预计最坏的情况。强烈的地面震动确实造成了严重的破坏，但没有立即报告海啸破坏。当一个国际小组（包括我们其中一位，季托夫）在两周后调查该地区时，他们测得的海啸爬高高达 4 米——仍然具有潜在的致命性。一些印度尼西亚人说，他们从第一次经历中吸取了教训，并在地面震动时向内陆跑去。更好的疏散只是 3 月份海啸没有夺走更多生命的原因之一。
对 12 月地震余震的分析表明，佐治亚理工学院的安德鲁·纽曼和新墨西哥矿业与技术学院的苏珊·比莱克认为，断层在那次靠近深海沟处滑动，因此比 3 月份滑动的主断层部分的水深更深。因此，12 月的海啸有更多的机会在从深水到海岸的行程中增加高度。此外，与 12 月的海啸不同，3 月份的断层运动发生在尼亚斯岛和西默卢埃岛下方，从而限制了隆起地壳可以置换的水量。[中断]
断层方向的细微差异意味着它们的海啸波以两个不同的方向传播。对于 3 月份的地震，其大部分向东传播的海浪撞击了苏门答腊岛，这阻挡了大部分波浪能量向泰国和马来西亚方向移动。向西传播的海浪射入西南方向的开阔海洋，在很大程度上错过了斯里兰卡、印度和马尔代夫，所有这些国家都在 12 月遭受了可怕的灾难。这些例子突出了地震位置的微小变化可能造成的关键重要性。
尽管可能总是围绕着如此复杂的现象存在挥之不去的科学不确定性，但新的海啸科学已准备好实施。现在，拯救生命的最大挑战是将科学发现应用于适当的教育、规划和预警。