26.07.2020 | EPFL | News SLF
Wissenschaftler der EPFL und des SLF haben ihr Verständnis von Schneebrettlawinen vertieft, die unter allen Lawinentypen jedes Jahr die meisten Todesopfer fordern. Ihre Ergebnisse ebnen den Weg für eine effektivere Risikovorhersage.
Durch die Vergrösserung des Massstabs für die Simulation von Schneebrettlawinen von einem auf hundert Meter haben Wissenschaftler der EPFL und des WSL-Instituts für Schnee- und Lawinenforschung SLF eine Entdeckung gemacht, die unser Verständnis von ihrer Funktionsweise grundlegend verändert. Die Entdeckung mag als kleine Revolution in einem Nischenbereich erscheinen. Sie offenbart jedoch den Beitrag, den die gewaltigen, heute verfügbaren Rechenkapazitäten zur besseren Beobachtung komplexer physikalischer Phänomene leisten können. Die Ergebnisse ihrer Forschung sind soeben in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienen.
Im Jahr 2018 veröffentlicht der Forscher Johan Gaume in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of California in Los Angeles eine erste Studie in Nature Communications, nachdem er zuvor eine dreidimensionale Schneebrettlawine mit bisher unerreichter Genauigkeit nachgebildet hat. Nach dieser Pionierleistung setzen Johan Gaume, heute Leiter des Lawinensimulationslabors (SLAB) an der EPFL und Mitarbeiter am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung SLF, und sein Doktorand Bertil Trottet ihre Forschung in grösserem Massstab fort und beobachten eine überraschende Veränderung des Anrissverhaltens bei der Lawinenauslösung. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Riss ausbreitet, beträgt über 100 Meter pro Sekunde, eine Schnelligkeit, die weit über den experimentellen Messungen liegt, die rund 30 Meter pro Sekunde ausweisen. Die beiden Forscher denken zunächst an einen Fehler.
Scherbruch
Eine Schneebrettlawine zeichnet sich durch einen scharfen, linearen Riss an der Spitze der abgehenden Schneemasse aus. Sie kann entstehen, wenn eine dichte Schicht, das sogenannte Schneebrett, auf einer sehr kohäsionsarmen Schwachschicht liegt. Entsteht eine Lawine, z.B. durch eine Skifahrerin, bricht die Schwachschicht ein und das Schneebrett verliert seinen Halt. Die Biegung des Schneebretts wird so zu einer der treibenden Kräfte für die Ausbreitung des Bruchs. Zumindest war dies bislang der Kenntnisstand, der auf Experimenten und numerischen Simulationen mit Schneebrettlängen von weniger als 2 Metern beruhte.
Bei der Modellierung von Schneebrettsystemen in einer Grössenordnung von rund hundert Metern beobachten die Forscher, dass wenn die Ausbreitungsdistanz eine bestimmte Länge von rund 3 bis 5 Metern überschreitet, die Zugkraft des Schneebretts zum einzigen Antrieb des Vorgangs wird, was zu einem Bruch der Schwachschicht durch Scherung führt, ähnlich dem Bruch, der bei seltenen Erdbeben grosser Magnitude zu beobachten ist. «Wir hatten das Gefühl, eine wichtige Entdeckung gemacht zu haben, aber wir brauchten experimentelle Daten, um das zu bestätigen», sagt Johan Gaume.
Videoanalyse
Zahlreiche Zufälle helfen den Wissenschaftlern, ihre Entdeckung zu bestätigen. Bei einem Kolloquium entdeckt Johan Gaume, dass ein Kollege vom Lawineninformationszentrum in Colorado, Ron Simenhois, an einer hochmodernen Technik der Videoanalyse arbeitet. Zur gleichen Zeit schickt ihm ein ehemaliger Student der Umweltingenieurwissenschaften der EPFL, Mathieu Schaer, der heute professioneller Snowboarder und Ingenieur bei MeteoSchweiz ist, ein Video, das zeigt, wie er nur knapp einer grossen Schneebrettlawine entkommt.
«Wir hatten Schneedaten über diese Lawine am Col de Cou in den Schweizer Alpen, und das Video war von hoher Qualität, da es für einen Snowboard-Film bestimmt war. Dank der Videoanalyse und dieser Parameter konnten wir unser Modell ein erstes Mal validieren», erklärt der Forscher, der der Fakultät für Architektur, Bau- und Umweltingenieurwissenschaften (ENAC) angehört. Insgesamt vier echte Lawinen bestätigten den Übergang vom Anticrack-Modus zum sogenannten Supershear-Ausbreitungsmodus, der bei einigen Erdbeben beobachtet wurde. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse entwickelt das SLF derzeit in Davos eine Versuchsanordnung in grösserem Massstab, um den Ablauf noch besser zu verstehen.
Video-Analyse der Schneebrettlawine. Video: Titouan Bessire
Risiken vorbeugen
Diese Ergebnisse werden zu neuen Hypothesen führen, mit deren Hilfe man die numerischen Modelle vereinfachen und die Rechenzeiten für die Lawinenmodellierung drastisch von mehreren Tagen auf wenige Minuten reduzieren kann. Die neuen Modelle können dann dazu verwendet werden, die Grösse von Lawinen abzuschätzen, ein entscheidender Parameter für Risikomanagement und -vorhersage.
Der Snowboarder Mathieu Schaer entgeht nur knapp einer Schneebrettlawine. Video: Titouan Bessire
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