2004年12月26日，一系列毀滅性的海浪襲擊了印度洋周圍的海岸線，造成了有記錄以來任何海嘯中最大的人員傷亡。海浪摧毀了整個城市和村莊，在短短幾個小時內造成超過225,000人死亡，並至少使一百萬人無家可歸。
這場令人震驚的災難突顯了一個重要的事實：隨著世界各地沿海地區人口的激增，海嘯構成的風險比以往任何時候都更大。與此同時，這次海嘯是歷史上記錄最詳盡的一次——為學習如何在未來避免此類災難提供了獨特的機會。從泥水吞沒海邊酒店的家庭錄影，到衛星測量海浪在開闊海洋中的傳播，大量湧入的資訊在幾個方面重塑了科學家的認知。
首先，海嘯的驚人起源——它來自以前被認為不太可能產生巨浪的地點——使研究人員確信要擴大他們可能的危險區域列表。新的觀測還為計算機模擬提供了首次全面的測試，這些模擬預測海嘯將在何時何地襲擊以及它在陸地上將如何表現。更重要的是，這一事件揭示了地震的細微複雜性對海嘯的大小和形狀施加了非常強大的影響。從這些發現中改進的模型將與新的監測和預警系統協同工作，以幫助拯救生命。
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大地震之前
研究人員早就知道，幾乎所有產生海嘯的地震的滋生地都是俯衝帶。這些區域以海底巨大的海溝為標誌，形成於地球外殼的構造板塊之一俯衝到另一個板塊之下的地方。重力以及地球地幔深處粘性物質的運動共同作用，使板塊彼此滑動，但淺層地殼中的摩擦暫時將它們鎖定在一起。結果，應力在兩個板塊之間巨大的介面或斷層上積聚。有時，這種應力會以大地震的形式突然釋放。下方的板塊進一步下沉，猛烈地將上方的板塊向上彈起——上覆的海水也隨之移動。由此產生的海嘯的大小取決於海底移動的程度。一旦產生，海嘯就會分裂成兩部分；一部分迅速向內陸移動，而第二部分則朝向開闊的海洋。
在印度洋東部，印度尼西亞蘇門答臘島西海岸外，印度板塊沿著蘇門答臘俯衝帶滑到歐亞板塊下方。該斷層帶的南部過去曾發生過大型（震級 9 級）地震，最近一次是在 1833 年；加州理工學院的克里·西耶及其同事發現了被這些事件抬升的古老珊瑚礁。專家們正在關注那裡是否會再次發生大震動。
但是，當 2004 年 12 月產生海嘯的事件起源於該區域的上部，即蘇門答臘島西北部時，他們感到困惑。之前的記錄顯示，該區域近海斷層的運動速度要慢得多，因此尚不清楚應力是否能夠積累到足以導致如此劇烈的震動的程度。然而，後來的分析表明，9 級地震使 1200 公里長的海底抬升了高達 8 米，因為它釋放了一個加利福尼亞州大小的斷層帶區域——使正常海平面以上的數千立方公里海水發生位移。因此，調查人員現在正在考慮阿拉斯加、波多黎各和其他類似俯衝帶附近可能存在的其他海嘯威脅。
蘇門答臘-安達曼地震發生在當地時間上午 7:59，不久之後，全球地震臺網向夏威夷埃瓦海灘的太平洋海嘯預警中心發出了警報。儘管那裡的地球物理學家是最早獲悉該地區以外地震的人員之一，但他們無法確認一場致命的海嘯正在印度洋上洶湧澎湃，直到他們收到有關正在發生的災難的第一份新聞公報。[中斷]
在太平洋，世界上 85% 的海嘯發生在那裡，稱為海嘯儀的遠端感測器可以探測到近海海嘯，並在海浪登陸前警告太平洋中心的科學家以及阿拉斯加州帕爾默的第二個中心的科學家[參見弗蘭克·岡薩雷斯撰寫的“海嘯！”；《大眾科學》，1999 年 5 月]。但是，印度洋沒有這種技術，也沒有建立向沿海地區人民傳遞預警的通訊線路。儘管第一波海浪花了兩個多小時才到達泰國、斯里蘭卡和許多受災最嚴重的地區，但幾乎所有人都在措手不及。
在開闊的海洋中
那年十二月的那一天永遠改變了世界對海嘯可能造成的破壞程度、它們可能襲擊的地點以及如此多的社群是多麼毫無防禦能力的認識。從那時起，國際組織一直在爭先恐後地糾正這種情況。與此同時，研究人員一直在深入研究這場災難留下的線索，以加深他們對海嘯如何開始、傳播以及隨後衝擊海岸的理解——並更好地預警下一次海嘯。
15 年來，日本和美國的研究人員一直在開發計算機模型，模擬海嘯如何在開闊的海洋中傳播。然而，在此之前，研究人員幾乎沒有觀測結果可以與他們的理論進行比較。所有海嘯傳播模型都需要兩個關鍵的起始變數：對變形海底的位置和麵積的估計，研究人員根據地震的震級和震中進行估計，以及對位移水的高度或振幅的測量。只有在直接觀測到開闊海洋中的海嘯波後，才能充分推斷出後一個變數以進行即時預測。
但是對於以前的重大海嘯，科學家們只有潮汐儀在海岸附近記錄的測量結果，或者測量員後來從陸地上的水害估計的結果。主要問題是，在近岸，海嘯的實際大小被額外的海浪掩蓋了，這些海浪是在海嘯從海堤反彈、環繞島嶼或在海灣中來回晃動時產生的——所有這些都形成了一個非常混亂的訊號。
純屬巧合的是，三顆地球監測衛星為建模人員提供了印度洋海嘯所需的原始、未失真的波高。衛星恰好在地震發生後兩到九個小時之間在區域上空執行，首次對海嘯在開闊海洋中傳播進行了雷達測量。結果首次證明，正如人們所懷疑的那樣，開闊海洋中只有半米高的水隆起確實可以轉變成在陸地上造成如此大破壞的滔天巨浪。
衛星的地面速度約為每秒 5.8 公里，它還提供了海嘯振幅的第一個連續斷面——也就是說，它們沿著海嘯的傳播路徑連續監測海浪，而不是像潮汐儀那樣在單個地點進行測量。事實證明，模型和測量的波高彼此非常吻合，驗證了關於海嘯如何在開闊海洋中移動的一般理論——並證實當前的建模範式是公共安全的有用工具，即使對於最大的海嘯也是如此。
全球範圍
海嘯的全球範圍進一步證實了這些模型對於預測是可靠的。由於深海中的海嘯以與噴氣式客機大致相同的速度（每小時 500 至 1,000 公里）移動，因此第一波海浪用了不到三個小時就從蘇門答臘島北部和安達曼群島向東傳播到緬甸（緬甸）、泰國和馬來西亞，向西傳播到斯里蘭卡、印度和馬爾地夫。在 11 個小時內，它襲擊了 8,000 公里外的南非海岸，這是報告海嘯相關死亡事件的最遠地點。
但是海浪並沒有就此停止。大約在悲劇登上新聞頭條的同時，科學家們開始從世界各地的潮汐儀站獲得記錄。在其向西的路徑上，海嘯繞過非洲南部頂端，然後分裂，因為它向北穿過大西洋；一個分支朝向巴西，另一個分支朝向新斯科舍省。在其向東的路徑上，海嘯穿過澳大利亞和南極洲之間的缺口，進入太平洋，最北端到達加拿大。自 1883 年喀拉喀托火山爆發以來，還未曾聽說過海嘯傳播得如此之遠。[中斷]
當海嘯的整個路徑在美國國家海洋和大氣管理局領先的計算機模擬 MOST（method of splitting tsunami的縮寫，意為海嘯分裂方法）上播放時，模擬的波高與各個潮汐儀站的測量結果非常吻合。更重要的是，該模型揭示了海嘯如何傳播如此之遠。印度洋事件的模擬波高圖顯示，它們在洋中脊沿線最高。這些洋中脊將一個海洋盆地與下一個海洋盆地連線起來，似乎比其他方式更能引導波浪能量傳播得更遠。瞭解這種效應對於預測很有幫助，因為建模人員可以更好地估計最強波浪能量最有可能到達的位置。
直接後果
預測海嘯一旦登陸後的行為是一個更大的挑戰。與海嘯中總是發生的情況一樣，12 月事件的海浪在進入淺水區時逐漸減速。當漣漪到達海岸時，波峰之間的距離在開闊的海洋中為數百公里，已經減少到 15 或 20 公里。但是，由於快速流動的水仍然從後面推動，波峰越來越高，在蘇門答臘島亞齊省（第一個受災地區）超過 30 米。
海浪仍然以每小時約 30 至 40 公里的速度移動，席捲內陸——在班達亞齊市的部分地區超過 4 公里。它們也以同樣的猛烈程度退去，將它們在進入途中拾起的任何東西都帶到遠處的海中。在所有被淹沒的海岸線上，海浪衝擊海岸數小時。並且由於波峰之間間隔 30 分鐘或更長時間，許多人不幸地返回海灘，卻遭到後續海浪的襲擊。對自然環境的累積破壞是如此巨大，以至於太空中的宇航員都能看到；而且變化也極其多樣。
考慮到涉及的許多因素，模型如何可靠地預測這種變化？直到 1990 年代初期，由於未解決的計算複雜性，即使是最好的模擬也在水邊或近海結束了它們的計算。然後，調查人員使用最後的高度來估計海嘯將爬升到內陸多遠。但是，對海嘯災難的初步仔細調查表明，他們的估計存在很大偏差。1992 年襲擊尼加拉瓜的海嘯是科學家首次進行全面的實地測量，以與模型預測進行比較。某些地方的洪水水位比模型預測的高出 10 倍。
美國和日本的建模人員之間很快展開了一場競賽，他們尋求透過計算海嘯在陸地上的整個演變過程來更準確地描述淹沒情況。透過大規模實驗室實驗和後續海嘯的現場測量相結合，調查人員改進了日本的 TUNAMI-N2 和美國的 MOST 模型，直到它們可以很好地匹配大多數過去海嘯的淹沒模式——只要有關於沿海和近海地形的高解析度資料可用。然而，這些研究人員並不知道這些模型對於最大的海嘯是否也同樣有效。事實證明，儘管沿海景觀的細節相對缺乏，但這些模型比預期的更好地匹配了印度洋的洪水情況。
印度尼西亞和其他地方的海嘯後調查人員很快注意到，僅靠洪水深度的預測並不總是能預示海嘯的全部影響。在泰國和斯里蘭卡的許多地方，陸地上的海嘯深度不到 4.5 米，但破壞程度卻堪比亞齊，那裡的水深是其六倍。另一個令人震驚的現實是，在班達亞齊，海浪摧毀了一棟又一棟鋼筋混凝土結構，這些結構可能經受住了地震的震動。
為了解釋破壞的程度，土耳其安卡拉中東技術大學的艾哈邁特·C·亞爾西納和我們其中一位（西諾拉基斯）正在設計新的破壞指標——沿海工程師可以用來評估海嘯波浪對結構的力的標準——這些標準也考慮了強大的水流，海嘯洪水中的水流比正常潮汐和風暴浪中的水流強得多。[中斷]
令人震驚的意外
關於印度洋海嘯，可以說最大的科學難題是地震本身。即使是地震的震級仍在爭論之中，一些估計高達 9.3 級。儘管這次地震是自 1964 年阿拉斯加地震以來最大的一次地震，但描述蘇門答臘-安達曼斷層如何產生如此巨大的海嘯一直是一個挑戰。
無論如何衡量，這次地震都非常複雜。通常，斷層滑動在開始時，即靠近其起源處最大。然而，在某些情況下，斷層破裂始於少量滑動，表明地震將很小，然後撞擊斷層的薄弱或高應力部分，從而猛烈釋放，導致更大的地震和海嘯。這就是 2004 年海嘯發生的情況。這種情況很難及時分析以發出有用的預警。
美國國家海洋和大氣管理局的海嘯預測模型針對這一令人困惑的事件進行了測試。僅使用地震資料執行模型會低估開闊海洋中的海嘯高度 10 倍或更多。加入第一次海嘯振幅的直接測量，該測量在地震發生後約三個半小時從科科斯島的潮汐儀站到達科學家手中，極大地改善了結果。但仍然缺少一些東西。
在地震發生後的幾天裡，對地震強烈地震波的分析表明，最初的斷層破裂以每秒 2.5 公里的速度向北從蘇門答臘島加速。他們還查明瞭最大滑動的區域——以及最大的海嘯產生區域。海嘯建模人員面臨的問題是，這些地震解決方案都沒有包含足夠的整體斷層運動來重現衛星對開闊海洋中波高的觀測或班達亞齊的嚴重洪水。
關鍵線索來自陸基站，這些陸基站使用全球定位系統 (GPS) 跟蹤比地震波產生的地面運動慢得多的地面運動。這些測量結果表明，斷層在停止釋放地震能量後繼續滑動，儘管速度很慢。儘管斷層可以滑動多慢仍然會產生海嘯是有限制的，但最有可能的是，這種經常被忽視的現象（稱為震後滑動）解釋了令人驚訝的海嘯高度。如果是這樣，那麼將連續 GPS 讀數納入可能是未來海嘯預警系統的重要組成部分。
命中或錯過
任何給定地震中的具體因素顯然對海嘯施加了可怕的控制。彷彿要強調這一點，地球在 2005 年 3 月 28 日沿著同一斷層再次產生了一次巨大的地震。最初的破裂發生在距離蘇門答臘島海岸線相等距離處，並且幾乎與 12 月地震的海底深度相同，兩次震動都是自 1900 年以來記錄的十大地震之一。然而，它們產生了截然不同的海嘯。
看到 3 月份的地震在他們的計算機螢幕上閃爍為 8.7 級地震，太平洋海嘯預警中心和其他地方的科學家預計最壞的情況。強烈的地面震動確實造成了嚴重的破壞，但沒有立即報告海嘯破壞。當一個國際小組（包括我們其中一位，季托夫）在兩週後調查該地區時，他們測得的海嘯爬高高達 4 米——仍然具有潛在的致命性。一些印度尼西亞人說，他們從第一次經歷中吸取了教訓，並在地面震動時向內陸跑去。更好的疏散只是 3 月份海嘯沒有奪走更多生命的原因之一。
對 12 月地震餘震的分析表明，佐治亞理工學院的安德魯·紐曼和新墨西哥礦業與技術學院的蘇珊·比萊克認為，斷層在那次靠近深海溝處滑動，因此比 3 月份滑動的主斷層部分的水深更深。因此，12 月的海嘯有更多的機會在從深水到海岸的行程中增加高度。此外，與 12 月的海嘯不同，3 月份的斷層運動發生在尼亞斯島和西默盧埃島下方，從而限制了隆起地殼可以置換的水量。[中斷]
斷層方向的細微差異意味著它們的海嘯波以兩個不同的方向傳播。對於 3 月份的地震，其大部分向東傳播的海浪撞擊了蘇門答臘島，這阻擋了大部分波浪能量向泰國和馬來西亞方向移動。向西傳播的海浪射入西南方向的開闊海洋，在很大程度上錯過了斯里蘭卡、印度和馬爾地夫，所有這些國家都在 12 月遭受了可怕的災難。這些例子突出了地震位置的微小變化可能造成的關鍵重要性。
儘管可能總是圍繞著如此複雜的現象存在揮之不去的科學不確定性，但新的海嘯科學已準備好實施。現在，拯救生命的最大挑戰是將科學發現應用於適當的教育、規劃和預警。