Subtile Lawinenmechanik in 3D offengelegt

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Bei einer Lawine kann sich der Schnee sowohl wie ein Feststoff als auch wie eine Flüssigkeit verhalten. Aufgrund dieser Feststellung ist es einem jungen Forscher der EPFL und des WSL-Instituts für Schnee- und Lawinenforschung (SLF) gelungen, eine Schneebrettlawine mit noch nie dagewesener Genauigkeit im Modell darzustellen.

Eine Lawine ist ein extrem komplexes Ereignis mit unzähligen Parametern und physikalischen Variablen zwischen der Auslösung und dem Ende des Rutschvorgangs. Johan Gaume, Forscher am Labor für Kryosphärenwissenschaften (CRYOS) sowie am WSL-Institut für Schnee- und Lawinenforschung ist es gelungen, sie zu integrieren und daraus eine sehr realitätsnahe digitale Simulation zu erstellen. Seine Arbeit, die ein noch nie dagewesenes Verständnis des Phänomens bietet, könnte insbesondere dazu dienen, das Risikomanagement in den Bergen zu verbessern. Sie wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Der junge, auf Lawinen spezialisierte Wissenschaftler verbrachte letztes Jahr mehrere Monate an der Universität von Kalifornien in Los Angeles (UCLA), wo er mit auf die Erstellung von 3D-Modellen spezialisierten Mathematikern zusammenarbeitete, von denen einige insbesondere mit Ingenieuren von Disney an der Simulation des Schnees im Film «Die Eiskönigin» teilgenommen hatten.

Fruchtbare Zusammenarbeit

Das Zusammentreffen zwischen dem Know-how dieser Mathematiker und dem wissenschaftlichen Fachwissen des jungen EPFL-Forschers war fruchtbar: Erstere wollten die Genauigkeit ihres Schneesimulationsmodells verbessern, während Letzterer sein präzises diesbezügliches Wissen sowie zahlreiche Daten und praktische, von seinem SLF-Kollegen und Studienmitautor Alec van Herwijnen gemachte und analysierte Beobachtungen einbrachte.

Über einen neuartigen Ansatz gelang es den Forschern aus der Schweiz und den USA zum ersten Mal, eine realistische, vollständige und wissenschaftlich rigorose Simulation einer Schneebrettlawine zu erstellen. Diese zeichnet sich insbesondere durch einen deutlichen, linearen Bruch am oberen Rand der sich lösenden Schneemassen aus. Zu einem solchen Bruch kann es kommen, wenn eine dichte Schicht, das heisst das Schneebrett, auf einer zerbrechlichen und wenig kompakten Schicht auf einer grossen Oberfläche liegt. Diese schwer vorhersehbaren und oft von Skifahrern oder Skiwanderern ausgelösten Lawinen sind am gefährlichsten und fordern am meisten Opfer.

Doppelagent

«Unser Ansatz ist originell, weil er insbesondere berücksichtigt, dass sich der Schnee bei einer solchen Lawine sowohl wie ein Feststoff als auch wie eine Flüssigkeit verhält», erklärt Johan Gaume.

Ausgelöst wird die Lawine in der Regel durch eine Zusatzbelastung wie einen Skifahrer oder eine andere destabilisierende Ursache wie die Verwendung von Sprengstoff. Dies führt zu einem Bruch in der Grundschicht, der sich sehr schnell ausbreiten kann. In diesem Augenblick gehorcht der Schnee den Grundsätzen der Mechanik von Feststoffen. Wenn der Bruch die fragile Schicht erreicht, bricht diese wegen ihrer porösen Struktur und des Gewichts der Oberflächenschicht ein. Diese rutscht aufgrund ihrer Masse und der Hangneigung ab, kann sich lösen und auf der fragilen Schicht zu gleiten beginnen. Die kollektive Dynamik – Kollisionen, Reibungen und Brüche – der aus diesem oberen, durch den Absturz fragmentierten Brett stammenden, festen Schneeblöcke führt dann zu einem flüssigen Gesamtverhalten.

Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurde das Einbrechen der porösen Grundschicht zum ersten Mal kontinuierlich und in grossem Massstab im Modell dargestellt. Ausserdem umfasst die Simulation vergleichsweise wenige, aber wesentliche Parameter zur Steuerung aller wichtigen Prozesse wie der Dynamik des Bruchs, der Reibung und der Kompaktheit je nach Schneeart.

«Durch die Nutzung eines in diesem Bereich noch nie verwendeten, für die Analyse des Verhaltens von sich bewegenden Materialien (Material Point Method) bestimmten Instruments entwarfen die Forscher eine neue Möglichkeit zur Beschreibung von Lawinen, dank der die Prävention verbessert werden könnte.»

Bessere Prävention

Durch die Nutzung eines in diesem Bereich noch nie verwendeten, für die Analyse des Verhaltens von sich bewegenden Materialien (Material Point Method) bestimmten Instruments entwarfen die Forscher eine neue Möglichkeit zur Beschreibung von Lawinen, dank der die Prävention verbessert werden könnte. «Neben vertieften allgemeinen Kenntnissen über das Verhalten des Schnees könnte diese Arbeit zu einer besseren Einschätzung der möglichen Grösse, der Reichweite sowie des auf ein Hindernis ausgeübten Drucks einer Lawine führen», betont Johan Gaume.

Bei den übrigen Anwendungsmöglichkeiten könnten die vom Forscher durchgeführten Simulationen auch in der Kunst und insbesondere in Animationsfilmen verwendet werden.

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