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Verhalten von Fliesslawinen

Lawinen entstehen, wenn sich die Schneedecke an einem Hang löst und diese sich unter dem Einfluss der Schwerkraft den Hang hinunterbewegt. Die Art der Bewegung hängt stark von der Schnee- und Geländebeschaffanheit ab. Die Kenntnis der Fliesseigenschaften von Lawinen ist von entscheidender Bedeutung für die Beurteilung potentieller Gefahrenzonen und für die Planung von Schutzmassnahmen.

Wie bremst eine Lawine?

Auf den ersten Blick ist klar, dass eine aus trockenem Schnee bestehende Staublawine sich anders bewegt als eine Fliesslawine aus dichtem feuchten Schnee.

Staublawine
Staublawine im Vallée de la Sionne.

Die für die Gefahrenbeurteilung und für die Planung von Schutzmassnahmen entscheidende Frage ist, wo eine Lawine mit einem bestimmten Anrissvolumen nach ihrem Weg durch den Lawinenzug stoppt und welche zerstörerischen Kräfte sie unterwegs entwickelt. Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir wissen, wie eine Lawine bremst. Die Mechanismen, die eine Lawine letztlich zum Stehen bringen, sind komplex und vielfältig: Stösse der Schneebrocken aneinander, das Zerbrechen und Wiederzusammenballen von Schneebrocken, das Aufschmelzen der Gleitschicht am Boden, das Mitnehmen von Schnee der Schneedecke oder von Luft in der Staubwolke, all diese Prozesse tragen dazu bei, die durch die Schwerkraft hervorgerufene Bewegungsenergie der Lawine zu vernichten – sie bremst.

Mathematische Formulierung des Fliessens

Das Fliessen der Lawine kann man mathematisch formulieren, indem man sie als Strömungen eines kontinuierlichen Mediums ansieht, in denen die Deformation des fliessenden Schnees als Reaktion auf wirkende Kräfte eine zentrale Rolle spielt. Diesen Zusammenhang zwischen Kräften und Deformation nennt man in der Strömungsmechanik Materialverhalten oder „Konstitutivgesetz“.

Fliesslawine
Ablagerung einer Fliesslawine Im Vallée de la Sionne.

In dem Konstitutivgesetz sind die oben genannten Prozesse enthalten – je nach mathematischem Aufwand, den man treiben kann oder will, in mehr oder weniger vereinfachter Form. Diese Konstitutivgesetze so realistisch wie möglich und dabei so einfach wie möglich zu formulieren, ist ein zentrales Anliegen unserer Arbeit. Um Hinweise zu bekommen, welche Prozesse für welche Schneearten die Konstitutivgesetze dominieren, führen wir Experimente an der Versuchsanlage im Vallée de la Sionne, der Schneegleitbahn am Weissfluhjoch und der Laborrutschbahn durch.

Versuchsanlagen
Lawinendynamische Versuchsanlagen des SLF. Von links nach rechts: Vallée de la Sionne mit Messmast (Kreis), Schneegleitbahn am Weissfluhjoch, Laborrutschbahn.

Experimente zum Fliessverhalten

Die Messanlagen liefern auf verschiedenen Grössenskalen Informationen über die Fliesshöhen, die interne Fliesstruktur und die wirkenden Kräfte. Die Schneegleitbahn und die Laborrutsche erlauben es, Fliessvolumina und Hangneigungen gezielt zu verändern. Dabei muss aber darauf geachtet werden, wie sich die am verkleinerten Massstab gewonnenen Ergebnisse auf die Realität übertragen lassen. Die experimententellen Ergebnisse inspirieren wiederum die theoretische Arbeit.

Ein Blick in die Geschichte

Bis in die Moderne hinein stellte man sich Lawinen als riesige Schneebälle vor, die auf ihrem Weg alles mitnehmen, was ihnen in den Weg kommt. Diese – wie wir heute wissen falsche - Sicht der Dinge hat sich lange gehalten. Erst 1863 stellte Bernhard Studer fest: „Niemand hat jemals Lawinen mit Häusern, Bäumen und Menschen wie kleine Erdkugeln durch die Luft fliegen sehen“. Erste einfache Berechnungsregeln für die Auslaufstrecken und Geschwindigkeiten entlang des Lawinenzuges wurden in den 30 er Jahren in Russland und - nach dem Lawinenwinter 1951/52 - in der Schweiz entwickelt.

Historische_schneelawine
Bernhard Studer, historisches Bild einer Schneeball-Lawine.

Diesen Berechnungsregeln liegt die Vorstellung zugrunde, dass die gesamte Lawinenmasse in einem Block konzentriert ist, der durch Reibungsprozesse am Boden gebremst und schliesslich gestoppt wird. Mit diesem einfachen Modell gelangte man unter Einbeziehung von Expertenwissen zu gut brauchbaren Abschätzungen der Lawinengefahrenzonen.

Fliessverhalten und Gefahrenabschätzung

Durch den gewachsenen Siedlungsdruck in den Alpen besteht der Bedarf nach Ausweitung der Bauzonen, was eine genauere Eingrenzung der Gefahrenbereiche erfordert. Dazu wiederum braucht es Lawinenmodelle, die die internen Prozesse in der Lawine genauer erfassen als das Blockmodell. Die strömungsmechanische Interpretation der Lawine verspricht genauere Abschätzungen des Fliess- und Bremsverhaltens von Lawinen. Sie ist in dem Programmpaket RAMMS enthalten, das den Praktikern als Instrument zur Lawinengefahrenabschätzung dient und auch die Basisdaten wie Auslauflängen und Fliessgeschwindigkeiten für die Bemessung von Schutzmassnahmen liefert.

Gefahrenkarte
Gefahrenkartierung am Beispiel Geschinen. Rote Zone: Bauverbot, blaue Zone Bauen mit Auflagen erlaubt. Grau: Tatsächlicher Lawinenumriss im Lawinenwinter 1998/99.

Mit RAMMS und mit Anleitungen zur Bemessung von Lawinendämmen und Galerien stellen wir Instrumente für die Praxis zur Verfügung. Unsere Arbeit ist auch für prozessverwandte Naturgefahren wie Murgänge oder Hangrutschungen relevant – entsprechend stellt RAMMS auch Module zur Modellierung dieser Prozesse zur Verfügung.