Den subtile mekanik af en lavine som set i 3-D

Ud fra det faktum, at sneen i en lavine kan opføre sig som både et fast stof og en væske, en ung forsker ved EPFL og SLF har formået at simulere en sneskred med uovertruffen præcision.

En lavine er en ekstremt kompleks begivenhed, med utallige parametre og fysiske variable, der spiller ind, fra lavinen udløses, til den slutter. Johan Gaume, en forsker i Laboratory of Cryospheric Sciences (CRYOS) og SLF, har lavet en meget nøjagtig digital simulering af en lavine baseret på disse parametre. Hans arbejde, som giver en hidtil uset indsigt i, hvordan laviner fungerer, kunne bruges til at forbedre risikostyringen i bjergene. Den blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Den unge lavineekspert tilbragte adskillige måneder sidste år på University of California Los Angeles (UCLA) og arbejdede med 3-D-modelleringseksperter, nogle af dem havde arbejdet sammen med Disneys ingeniører for at simulere sneen i filmen Frozen.

At kombinere disse matematikeres knowhow med Gaumes videnskabelige ekspertise viste sig at være en vindende formel. Matematikerne var i stand til at øge nøjagtigheden af ​​deres snesimulering takket være Gaumes dybdegående viden og data og feltobservationer indsamlet og analyseret af Alec Van Herwijnen, Gaumes SLF-kollega og medforfatter af undersøgelsen.

Ved at tage en helt ny tilgang, de schweiziske og amerikanske forskere skabte den første realistiske, komplet og videnskabeligt stringent simulering af en sneskred - en type lavine, der opstår, når der opstår en meget tydelig lineær revne i toppen af ​​snepakken. Dette sker normalt, når over et stort område, der er et svagt – og derfor ikke særlig sammenhængende – snepakningslag under det tætte øverste snelag, kendt som pladen. Sneskred er svære at forudsige og udløses ofte af skiløbere eller vandrere, gør dem til den farligste og mest dødelige type lavine.

Dobbeltagent

"Det, der gjorde vores tilgang så original, var, at vi tog højde for, at sneen i den type lavine opfører sig som både et fast stof og en væske, "forklarer Gaume.

En sneskred udløses normalt, når der er en ekstra belastning – såsom en krydsende skiløber – på sneen, eller når snepakken er destabiliseret på anden måde, for eksempel ved en eksplosion. Dette medfører, at der opstår en revne i det nederste lag af sne, som kan spredes hurtigt. På dette tidspunkt, sneen opfører sig i overensstemmelse med solidmekanikkens principper. Efterhånden som revnen breder sig, det svage lags porøse struktur får det til at falde sammen under vægten af ​​overfladepladen. På grund af dens masse og hældning, pladen frigives derefter og begynder at glide hen over det svagere lag. Sammenstødene, gnidninger og brud, som den faste sne oplever, når det øverste lag glider nedad og bryder fra hinanden, fører til en kollektiv adfærd, der er karakteristisk for en væske.

Forskerne var i stand til at simulere sammenbruddet af det porøse bundlag for første gang i stor skala ved hjælp af en kontinuert tilgang. Ud over, modellen integrerer kun de relativt få nøgleparametre, der dikterer, hvordan sneen vil opføre sig på de forskellige stadier af processen; disse omfatter bruddets dynamik, friktion, og komprimeringsniveauet baseret på typen af ​​sne.

Forskerne lånte en teknik kendt som materialepunktmetoden, som bruges til at analysere, hvordan bevægelige materialer opfører sig, men havde aldrig før været anvendt i undersøgelsen af ​​lavineudslip. Det understøttede forskernes nye tilgang til at forudsige laviner – og derfor også forhindre dem mere effektivt. "Ud over at uddybe vores viden om, hvordan sne opfører sig, dette projekt kunne gøre det muligt at vurdere den potentielle størrelse af en lavine, udløbsdistancen og trykket på eventuelle forhindringer i lavinens vej mere præcist, " siger Gaume.

Forskerens simuleringer kunne også anvendes i kunsten – og især i animationsfilm.