Overvågning af Matterhorn med millioner af datapunkter

Et unikt projekt forbinder in-situ målinger med forskning om naturfarer. I de sidste ti år har et netværk af trådløse sensorer på Matterhorns Hörnli -højderyg har konstant streamet måledata om tilstanden af ​​stejle klippeflader, permafrost og herskende klima. Projektlederen, Jan Beutel, vurderer fremskridt til dato.

Sommerens hedebølge i 2003 udløste et stenfald, der chokerede både forskere og offentligheden:1, 500 kubikmeter sten brød fra Hörnli -højderyggen - et volumen der stort set svarede til to huse. Frakturhændelsen afslørede bar is på overfladen af ​​det stejle skarp. Eksperter indså hurtigt, at rekordtemperaturerne havde varmet klippen ned til en sådan dybde, at isen i dens porer og sprækker var smeltet. Dette forårsagede effektivt en pludselig reduktion af bindingen, der holdt klippemassen sammen.

Det uforudsete stenfald var incitamentet til at oprette PermaSense, et unikt projektkonsortium, der samler eksperter fra forskellige ingeniør- og miljøforskningsdiscipliner fra ETH Zürich og flere andre institutioner, herunder universiteterne i Basel og Zürich. Projektet blev lanceret i 2006 med det oprindelige mål at foretage målinger og observationer, der ikke tidligere havde været mulige. Ved hjælp af state-of-the-art teknologi, forskerne søgte at opnå målinger in situ i stejle grundfjederpermafrost af hidtil uset kvalitet og kvantitet.

Ikke alene var de vellykkede, men forskerne slog komfortabelt deres mål, som de rapporterer i en artikel, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Jordsystemvidenskabelige data . Undersøgelsen beskriver en unik 10-årig rekord af højopløselige data, der er fanget af forskere på Hörnli-højderyggen i Matterhorn, 3500 meter over havets overflade. I alt 17 forskellige sensortyper placeret på 29 forskellige sensorsteder i og omkring stenfaldszonen 2003 leverede 115 millioner separate datapunkter.

"Dette datasæt udgør det længste, tætteste og mest forskelligartede datarekord i alpinpermafrostforskningens historie på verdensplan, "siger Jan Beutel, Seniorforsker ved Computer Engineering and Networks Laboratory i ETH Zürich, med en forståelig stolthed:han er drivkraften bag initiativet.

Ved hjælp af banebrydende trådløse sensorer, forskerne har formået at stille store mængder data af høj kvalitet til rådighed næsten i realtid, og nøje overvåge og kontrollere de løbende eksperimenter. "Den kombinerede analyse af langtidsovervågning opnået fra forskellige typer instrumenter fører til en bedre forståelse af de processer, der kan føre til destabilisering af stejl sten, "siger Samuel Weber, medleder for projektet og nu postdoktoralforsker ved TU München.

Sensornetværket omfatter også et automatisk kamera i høj opløsning, der tager billeder af brudstedet hvert andet minut. "Crackmeters" måler udvidelsen af ​​sprækkerne og forskydningen af ​​kampesten. Temperaturer måles på forskellige dybder i klippefladen, såvel som på overfladen. Skråmåler og GPS -sensorer måler permanent, hvor meget større klippeskillevægge samt hele bjergryggen deformerer og gradvist vipper mod dalen. I de senere år har forskerne tilføjet udstyr til måling af akustiske emissioner og mikroseismiske data.

Dataene videresendes via WLAN fra Hörnli -højderyggen til topstationen i svævebanen i Klein Matterhorn i nærheden, hvorfra de overføres i realtid via internettet til ETH Zürichs datacenter. Her bliver de løbende fanget, analyseret og vurderet - og har været det i de sidste 10 år, døgnet rundt, uanset vejret.

10 års permafrostmåling

"I løbet af de sidste tre år af vores projekt, inkorporering af mere komplekse seismiske data har været særligt nyttige til at hjælpe os med at kvantificere, hvad vi var ivrige efter at undersøge fra starten:destabiliseringen, der førte til stenfald. Dette har hjulpet os med at identificere mønstre i signalerne fra bjerget, der gør os i stand til at fange sådanne begivenheder, "Siger Beutel.

Måling af stenfladenes resonansfrekvenser

Brugen af ​​seismiske sensingsystemer gjorde det muligt at detektere mange forskellige signaler - såsom dannelse af revner, der oprindeligt var usynlige og skjult i klippefladen - som de tidligere sensorer ikke var i stand til at fange. "Seismiske sensorer fanger meget mere data, og tilbyde os hidtil uset informationstæthed og analysemuligheder, "siger elingeniøren. Men disse sensorer har flere ulemper:de har brug for kabler, mere magt, og dybe huller, som først skal bores. Og de registrerer også signaler, der ikke har noget med bjerget at gøre, såsom klatreres fodspor på vej til Matterhorn -topmødet.

Forskerne skulle først fjerne al den omgivende støj fra disse data ved hjælp af maskinlæring og smarte algoritmer, som blev programmeret direkte ind i de trådløse sensorer af de ETH -doktorander, der i øjeblikket er involveret i projektet. For at teste mod sandheden fodrede de også algoritmerne med data registreret på Hörnlihütte, en alpehytte, hvor bjergbestigere, der bestiger Matterhorn, overnatter. Antallet af mennesker, der overnatter og klatrer hver, tjener som en indikation, når folk, der bestiger bjerget, skaber forstyrrelser.

Analyse af de filtrerede seismiske data giver et interessant billede for Beutel:"De resonansfrekvenser, der forekommer i klipperne, varierer betydeligt i løbet af året." Dette fænomen er knyttet til frysning og optøning på bjergene. Mange mikrosprækker og sprækker er fyldt med is og sediment, og denne blanding er frosset stenhård om vinteren. Når dette optøer om sommeren, bindingen i sprækkerne ændres. Den frit vibrerende klippemasse forstørres, og som følge heraf falder resonansfrekvensen. Det omvendte sker om vinteren:Stenmassens resonansfrekvens stiger.

"Det er det samme princip som på en guitar - tonen afhænger af, hvor du griber fat i strengene og skaber vibrerende elementer i forskellige længder, "Forklarer Beutel.

"Meget pludselige ændringer i mønsteret af disse resonansfrekvenser ville indikere, at stabiliteten af ​​en del af klippefladen har ændret sig, "Siger Beutel. Hvis frekvenserne falder, det kan betyde, at eksisterende sprækker er uddybet eller åbnet op, hvilket muligvis indikerer et stigende klippefald med en betydelig masse.

"Ved hjælp af seismiske og akustiske data, kombineret med målinger af revnebredder og fotos af undersøgelsesstedet, vi kan helt præcist identificere, hvordan permafrosten ændrer sig og lave forudsigelser om problemer, der begynder at udvikle sig, "Siger Beutel." Jeg anser dette for at være en af ​​de bedste præstationer til dato for PermaSense -projektet. "

Han siger, at alt dette er takket være sin projektpartner, Samuel Weber, som har brugt de sidste tre år på at skrive en banebrydende afhandling om dette emne ved universitetet i Zürich. En anden nøglefaktor var involvering af ETH -professor Donath Fäh og den schweiziske seismologiske tjeneste, der leverede den seismologiske ekspertise.

Pludselig åbning af klippesprækker

Måleprojektet på Matterhorn er ikke slut endnu, men stadig i gang. Mens det stadig kører, Beutel er ivrig efter at overføre den knowhow, der er opnået fra "Horu, "det lokale navn for det ikoniske bjerg, til andre projekter og websteder. Den erhvervede tekniske og geologiske ekspertise kan nu anvendes til prognoser for naturfarehændelser. Beutel siger, at en mulig brug kan være på Piz Cengalo i Bregaglia -dalen. I sommeren 2017 dræbte et massivt stenfald på flere millioner kubikmeter et antal mennesker, og den resulterende affaldsstrøm ødelagde dele af landsbyen Bondo nedenfor. Eksperter er enige om, at yderligere stenfald vil ske på dette bjerg og overvåger nu forholdene døgnet rundt ved hjælp af radar, men in-situ målinger mangler til dato.