Neues Lawinen-Modell

Abb. 1: Staublawine im Testgelände für Lawinendynamik "Vallée de la Sionne"

Für Bauten in lawinengefährdeten Gebieten und für die Erstellung von Gefahrenkarten müssen Geschwindigkeit, Druck, Höhe und Auslaufstrecke von Lawinen bekannt sein. Zu deren Berechnung dient im Wesentlichen ein Modell, das A. Voellmy nach den extremen Lawinenwintern 1951 in der Schweiz und 1955 in Österreich entwickelt hat.

Das Kernproblem in der Lawinendynamik ist damals wie heute die mathematische Formulierung der Reibung. Diese bestimmt die Lawinengeschwindigkeit und die Auslaufstrecke. Voellmy hat sich bewegenden Schnee als eine Mischung aus flüssigen und festen Bestandteilen vorgestellt. Er war sich bewusst, dass die Reibung der festen Bestandteile durch „Vibration“ vermindert wird. Voellmy konnte diesen Effekt in seiner mathematischen Darstellung aber nicht explizit berücksichtigen, sondern versuchte, denselben mit verschiedenen Reibungsparametern abzubilden. In dieser Näherung genügte das Modell der Praxis, interessierten doch vor allem extreme Lawinen, für die man die Reibungsparameter aus Daten von bekannten Ereignissen bestimmen konnte.

Abb. 2: Die Fluktuationsenergie beeinflusst die Geschwindigkeit einer Lawine.

Es zeigte sich aber, dass diese Vereinfachung andere Lawineneigenschaften nicht erklären konnte, z. B. die Entstehung einer Staubwolke oder die Verteilung der Lawinenablagerung im Auslauf. Die Modellierung kleinerer Lawinenereignisse stellte immer noch ein Problem dar. Diese unbefriedigende Situation veranlasste die Lawinendynamik-Forschenden am SLF, mit neuen theoretischen Überlegungen die Vibration explizit zu berücksichtigen, ohne allzu sehr vom bewährten Voellmy-Modell abzuweichen. In der Physik wird die Vibration mit der Fluktuationsenergie dargestellt. Mit Hilfe zahlreicher Experimente im Labor und auf der Lawinen-Gleitbahn am Weissfluhjoch gelang es den Wissenschaftern, die Fluktuationsenergie in Lawinen mathematisch besser zu beschreiben. Lawinenschnee besteht aus Körnern, ist also ein granulares Material. Jedes Korn hat eine unterschiedliche Geschwindigkeit und durch die Kollision mit anderen Körnern auch eine unterschiedliche Bewegungsrichtung. Fluktuationsenergie entsteht, wenn ein Korn eine von der Fallrichtung abweichende Bewegung macht. Die Summe dieser abweichenden Bewegungen ergibt die Fluktuationsenergie der Lawinen (Abb. 2). Zum Beispiel hat der Kopf der Lawine, wo die Staubwolke entsteht, eine hohe Fluktuationsenergie. Auf der Basis dieser Überlegungen stellten die Forschenden eine neue Energiebilanz auf, in der die Produktion und der Zerfall der Fluktuationsenergie explizit enthalten waren. Sie stellten fest, dass diese von der Bodenrauigkeit und den Schnee-Eigenschaften abhängen. 

Abb. 3: RAMMS - ein Modellierungssystem für Lawinen und Murgänge im dreidimensionalen alpinen Gelände.

Die Auswirkungen dieser Erweiterung des Modells waren unerwartet. Nicht nur lassen sich damit Lawinen verschiedener Grösse simulieren, sondern es ist auch möglich zu bestimmen, ob bei einem Bruch der Schneedecke diese sich einfach "setzt", sich nur eine kleine Lawine bildet, die bald stecken bleibt oder ob es zu einer grossen Lawine kommt. Der Hauptvorteil dieser neuen Energiebilanz ist, dass die mathematische Formulierung in Simulationsprogrammen wie RAMMS (Abb. 3) berücksichtigt werden kann und damit in Zukunft der Forschung und Praxis zur Verfügung steht.