Fysikken i snepladeskred, der ligner jordskælvs

Forskere fra EPFL og WSL Institute for Snow and Avalanche Research SLF har fået dybere indsigt i, hvordan sneskred dannes, hvilket baner vejen for mere effektive risikovurderingsforanstaltninger for disse katastrofale hændelser, der hvert år inducerer flere lavineulykker og dødsfald end andre typer af laviner. laviner.

Holdet af EPFL- og SLF-forskere gjorde en opdagelse, som repræsenterer et paradigmeskifte, der kan påvirke deres forskningsniche markant. Ved at udvide skalaen for lavinesimuleringer af sneplader fra en meter til hundrede meter opnåede de en bedre forståelse af mekanismerne bag disse hændelser. Deres opdagelse illustrerer også de fordele, som fremskridt inden for computerbehandlingskraft kan bringe til de metoder, der bruges til at observere komplekse fysiske fænomener. Holdets resultater vises i Nature Physics .

Deres arbejde bygger på en undersøgelse fra 2018 af EPFL-professor Johan Gaume og videnskabsmænd ved University of California i Los Angeles. Den første undersøgelse, offentliggjort i Nature Communications , beskriver en 3D-simuleringsmetode, som forskerne udviklede til at modellere snepladeskred med uovertruffen præcision. I dag er Gaume leder af EPFL's Snow and Avalanche Simulation Laboratory (SLAB), inden for EPFL's School of Architecture, Civil and Environmental Engineering (ENAC), og er tilknyttet SLF Institute; han og hans ph.d. studerende Bertil Trottet tog undersøgelsen videre ved at anvende den i større skala - og gjorde en overraskende opdagelse. De fandt ud af, at måden, hvorpå revner forplanter sig, ændrer sig under udgivelsesprocessen af ​​pladelavinen. For eksempel observerede de sprækkeudbredelseshastigheder på over 100 meter i sekundet, hvilket er langt over de hastigheder på omkring 30 meter i sekundet, der typisk måles i eksperimenter. Først troede de to videnskabsmænd, at de havde begået en fejl.

Supershear crack-udbredelse

Snepladelaviner er karakteriseret ved en skarp og bred brudlinje, der opstår i toppen af ​​den frigivne snemasse. Sådan en lavine dannes, når et tæt lag sne (pladen) ligger oven på et svagt snelag med ringe sammenhæng. Når en lavine udløses, for eksempel af en skiløber, falder det svage lag sammen, og pladen mister sin underliggende støttestruktur. Den efterfølgende pladebøjning er en af ​​de vigtigste drivkræfter for sprækkeudbredelse. Det var i det mindste den mekanisme, som eksperimenter og numeriske modeller hidtil har foreslået, baseret på testede og simulerede plader, der måler mindre end to meter lange.

Men ved at modellere plader, der måler omkring 100 meter, fandt EPFL- og SLF-forskerne ud af, at når sprækkeudbredelsen strækker sig ud over omkring tre til fem meter, bliver pladens spænding den eneste drivkraft for frigivelsesprocessen, hvilket får det svage lag til at svigte under forskydning. Dette fænomen ligner den såkaldte "supershear"-brudmekanisme, der er observeret i de sjældne jordskælv med høj styrke, der er blevet rapporteret indtil videre. "Vi følte, at vi var på vej til noget vigtigt, men vi havde brug for eksperimentelle data for at bekræfte det," siger Gaume.

Videoanalyser

Så gav en række tilfældigheder Trottet og Gaume mulighed for at bekræfte deres opdagelse. Først deltog Gaume i en konferencepræsentation, hvor Ron Simenhois fra Colorado Avalanche Information Center beskrev en højteknologisk videoanalysemetode, han arbejder på. Omtrent på samme tid sendte Mathieu Schaer – en tidligere EPFL miljøingeniørstuderende, som nu er professionel snowboarder og ingeniør hos MétéoSuisse – Gaume en video, der viser, hvordan han med nød og næppe undslap en stor sneskred.

- Lavinen opstod i Col du Cou i de schweiziske alper, siger Gaume. "Vi havde snedata om begivenheden, og Schaers video var af fremragende kvalitet, fordi han filmede til en snowboardfilm. Ved at analysere videoen og undersøge de forskellige parametre, var vi i stand til at bekræfte resultaterne af vores model for første gang. " I alt tillod fire laviner fra den virkelige verden forskerne at bekræfte en overgang fra en "anticrack"-udbredelsestilstand til "supershear"-tilstanden rapporteret under nogle store jordskælv. Baseret på disse resultater udvikler SLF Instituttet nu større eksperimentelle faciliteter i Davos for at få yderligere indsigt i frigivelsesprocessen for sneskredskred.

Mod forbedret farevurdering

Deres arbejde vil hjælpe sneforskere med at komme med nye antagelser, der kan forenkle computermodeller af laviner og forkorte den nødvendige beregningstid betydeligt - fra flere dage til blot et par minutter. De forbedrede modeller kunne bruges til at bestemme størrelsen af ​​laviner, for eksempel, hvilket er afgørende information for effektiv risikoforudsigelse og -styring. + Udforsk yderligere

På vej mod bedre prognoser for fliseskred