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Projektdauer: 2007 - 2010
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Experimente zur Bruchausbreitung und Lawinenauslösung
Die Auslösung
von Schneebrettlawinen
Schneebrettlawinen (Abb. 1)
sind die gefährlichsten und grössten Lawinen unter den verschiedenen Lawinentypen.
Bevor sich ein Schneebrett lösen kann, muss eine eingeschneite Schwachschicht
über eine grosse Fläche brechen. Der Bruch startet an einem bestimmten Punkt,
z.B. unter einem Skifahrer, und pflanzt sich selbständig unterhalb des Brettes
fort, bis die Lawine abgleitet.
Seit langem ist bekannt,
dass Schneebrettlawinen nur in Hängen, die steiler als etwa 30° sind, abgehen
können. Routinierte SchneesportlerInnen jedoch wissen, dass sich Brüche auch in
mässig steilem oder sogar flachem Gelände ausbreiten können. Ist ein
Wumm-Geräusch im flacheren Gelände hörbar, bedeutet dies, dass durch das
Gewicht des Schneesportlers eine Schwachschicht zusammengebrochen ist. Ein
derartiger, im Flachen initiierter Bruch kann sich in einen benachbarten Hang
ausbreiten, so dass es zu einem Lawinenabgang kommt. Man spricht in diesem
Falle von einer Fernauslösung.
Während die Bruchausbreitung
also auch in flachem Gelände erfolgen kann, ist für das Abgleiten einer Lawine
eine gewisse minimale Hangneigung erforderlich.
Die Vorgänge hinter diesen Beobachtungen konnten nun vom SLF experimentell
beschrieben werden.
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Abb. 1: Eine
Schneebrettlawine kann, nachdem sich ein Bruch durch die eingeschneite
Schwachschicht fortgepflanzt hat, abgleiten. Das linke Bild zeigt eine typische
Schneebrettlawine. Auf der rechten Seite sieht man eine Schwachschicht an der Basis
des überlagernden Schneebrettes.
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High-Speed Kamera verschafft neue Einblicke
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Abb.
2: Feldexperiment zur Bestimmung der Bruchfortpflanzung in einer Schwachschichten.
Hier wird das erste und das letzte Bild einer Video-Sequenz gezeigt. In diesem
Versuch kollabierte die Schwachschicht und das Brett begann zu gleiten.
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Die Bruchprozesse beim
Lawinenabgang zu untersuchen ist allerdings nicht einfach. Einerseits sind
Lawinen seltene Ereignisse und eine direkte Instrumentierung ist kaum möglich,
andererseits wäre das für die Beteiligten auch zu gefährlich. Deshalb versuchen
Forschende des SLF, mit Feldexperimenten die Bruchprozesse zu simulieren. Dabei
isolieren sie einen langen, rechteckigen Schneeblock (Abb. 2) vom Rest der
Schneedecke. Auf der Talseite des Blockes wird die Schwachschicht mit einer
Schneesäge angeschnitten, bis sich der Bruch selbstständig entlang des
Schneeblocks fortpflanzt. Der anfängliche Schnitt mit der Säge, welcher die
Bruchausbreitung in Gang setzt, entspricht in etwa dem Initialbruch, der für
eine Lawinenauslösung erforderlich ist. Mit einer digitalen High-Speed Kamera,
die 300 Bilder pro Sekunde aufnimmt, dokumentierten die Forschenden die Bruchausbreitung.
Durch das Anbringen von schwarzen Markierungen oberhalb der Schwachschicht kann
die Verformung und Bewegung des Schnees mit Hilfe eines optischen Verfahrens,
der PTV Technik (Particle tracking Velocimetry), analysiert werden. Die
Position der Markierungen wird in jedem Bild verfolgt, so dass – indem man die Punkte miteinander verbindet – die Bewegungen
innerhalb der Schneedecke während des Experiments sichtbar werden. Somit lässt
sich auch die Reibung beim Abgleiten – nach erfolgtem Bruchprozess – bestimmen.
Abbildung 3 und 4 zeigen die
Ergebnisse eines dieser Experimente, bei dem sich ein Bruch in einer
Schwachschicht bei 34 Grad Hangneigung fortpflanzte, so dass die Schneeschicht
oberhalb der Schwachschicht, das Schneebrett, abglitt. Wie man in Abb. 3 sieht,
bewegte sich das Schneebrett (gestrichelte Linie) während des Kollapses der
Schwachschicht (schwarze Linie) nicht. Als jedoch die Schwachschicht nach ca.
0.3 Sekunden einmal über die gesamte Länge des Balkens gebrochen war, begann die
Schicht mit zunehmender Geschwindigkeit abzugleiten. Die Reibungskraft ist in
Abb. 4 dargestellt. Während die Schwachschicht kollabierte, nahm die Reibung
stark ab. Nach dem Kollaps hingegen stieg sie rasch an und blieb während des
Abgleitens des Schneebretts relativ konstant.
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Abb.
3: Gemessene
Verschiebung in einem Experiment, indem sich ein Bruch durch eine
Schwachschicht der Schneedecke in einem 34 Grad steilem Hang fortpflanzte. Die
schwarze Linie zeigt den Kollaps, die gestrichelte das Abgleiten.
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Abb.
4: Gemessene Reibung während des in Abb. 3 gezeigten Experimentes.
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30°- Regel für Lawinenabgänge experimentell bestätigt
Diese Messungen des SLF wie
auch andere kürzlich publizierte Arbeiten zeigen, dass sich bei verschiedensten
Typen von Schwachschichten und unabhängig von der Steilheit des Hanges die
Schneedecke bei einem Initialbruch plötzlich leicht setzt. Diese
Vertikalbewegung erfolgt durch das (Zusammen-) Brechen der Schwachschicht. Die
Schneestruktur wird lokal zerstört, so dass aufgrund der hohen Porosität von
Schnee die darüberliegenden Schichten leicht (häufig einige Millimeter)
absacken. Anschliessend – falls die Steilheit gross genug ist und somit die
Reibung überwunden werden kann – gleiten die Schichten ab: die Lawine bricht
los.
In ihren Versuchen konnten
die Forschenden den Hangneigungswinkel bestimmen, ab dem Lawinen abgleiten
können. Alle Messungen ergaben eine kritische Neigung von rund 30° und
bestätigen nun erstmals experimentell die klassische Faustregel, dass es
unterhalb von 30° kaum Lawinen gibt.
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