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Erforschung der Lawinendynamik im Vallée de la Sionne (Gemeinde Arbaz, VS)

Artificially triggered avalanche
Abb. 1: Künstlich ausgelöste Lawine vom 30. Januar 1999.
Bunker before an avalanche
Abb. 2: Bunker vor dem Lawinenniedergang.
Bunker after an avalanche
Abb. 3: Bunker nach dem Lawinenniedergang.
Sensoren
Abb. 4: Sensoren zur Messung von Geschwindigkeit, Druck und Dichte.
Auslösegebiete
Abb. 5: Auslösegebiete
Schaden
Abb. 6: Die Lawinen zerstörten die meiste Messinfrastruktur.
Vermessung Anriss
Abb. 7: Messungen im Lawinenanriss.
Keil
Abb. 8: Der Keil ist das älteste Hindernis im VdlS und wurde 1997 erbaut.
mast
Abb. 9: Der 19 m hoher Mast (rechts) befindet sich in der Nähe des Betonkeils (Mitte) und des Keils (links).
betonkeil
Abb. 10: Der Betonkeil wurde 2004 mit einer grossen Kraftmessplatte installiert.
Sommerarbeiten
Abb. 11: Die Hindernisse und die Sensoren werden von den Technikern des SLF meist während des Sommers unterhalten.

Im Testgelände für Lawinendynamik "Vallée de la Sionne" (VdlS) erheben Wissenschaftler und Ingenieure Daten, die dazu dienen, die Bewegungen in Lawinen besser zu verstehen. Die Versuchsanlage ist seit Winter 1997/1998 in Betrieb und stellt einen Meilenstein in der Lawinendynamikforschung am SLF dar. Nach ihrer teilweisen Zerstörung im Lawinenwinter 1999 (Abb. 1) wurde sie wieder aufgebaut und mit robusten Sensoren zur Geschwindigkeits- und Kraftmessung ausgestattet. Um ein detailliertes Bild des Schneeflusses zu erhalten, kombinieren die Forschenden Messwerte aus der Lawinenbahn mit modernen Fernerkundungsmethoden. Ausserdem untersuchen sie, wie sich die Bewegungsenergie in der Lawine umwandelt oder Schnee infolge des Lawinabgangs erodiert. Die Resultate aus den Versuchen im VdlS haben geholfen, die Lawinendynamikmodelle weiterzuentwickeln, Lawinensimulationsprogramme (insbesondere RAMMS) zu verbessern sowie die Schweizer Regeln zur Gefahrenkartenerstellung zu überprüfen.

Übersicht der Grossversuchsanlage

Ein einmaliges Testgelände

Das Testgebiet "Vallée de la Sionne" befindet sich in der Gemeinde Arbaz, 8 km nördlich von Sion, dem Hauptort des Kanton Wallis. Das Gelände wurde wegen seiner grossen Lawinenaktivität ausgewählt. Spontane Nassschneelawinen ereignen sich meist im frühen und im späten Winter, spektakuläre Staublawinen in den kalten Wintermonaten Januar und Februar. Die Auslösegebiete befinden sich auf zwischen 2500 und 2700 m ü.M: "Pra Roua" und "Crêta Besse" 1 und 2 (Abb. 5). Diese Gebiete führen zu zwei Couloirs mit über 100‘000 m3 Fliessvolumen. Beide Couloirs vereinigen sich weiter unten zu einem breiteren Lawinenzug bis zum Talgrund auf 1500 m ü. M. Die Schneemasse fliesst an einem Keil und einem Mast vorbei, welche mit verschiedenen Sensoren zur Messung von Geschwindigkeit, Druck und Dichte bestückt sind (Abb. 4). Oft fliesst die Lawine sogar den steilen Gegenhang hoch und begräbt den Beobachtungsbunker (Abb. 2 und 3) unter sich, der 50 m über dem Talgrund steht.

Spontane Lawinenauslösung

Aus allen drei Auslösegebieten (Abb. 5) kann es spontane Lawinen geben. Um die Messinstrumente bei einem Lawinenabgang automatisch zu aktivieren, sind im oberen Teil der Lawinenbahn seismische Sensoren eingebaut. Damit kann auch bei unbemanntem Bunker ein reduzierter Satz von Messungen durchgeführt werden. Die Daten werden automatisch ans SLF in Davos übermittelt und dort von Wissenschaftlern ausgewertet. Insbesondere kommen so interessante Daten zu Nassschneelawinen und kleineren Staublawinen zusammen, welche oft ohne Vorankündigung abgehen.

Künstliche Lawinenauslösung

Wenn heftige Schneefälle vorausgesagt sind, startet das SLF eine ausgedehnte Feldmesskampagne im VdlS. Wissenschaftler und Ingenieure des SLF bereiten sich auf die Messungen vor, während ein Experte in Sion und Davos die Situation laufend beurteilt. Stimmen die Wetterbedingungen (ungefähr 80 cm Neuschnee sind im Anrissgebiet nötig), lösen externe Spezialisten eine oder mehrere Lawinen künstlich aus. Nach dem Schneefall ist mindestens ein Tag gutes Wetter erforderlich, um die nötigen Feldmessungen aus der Luft und am Boden durchführen zu können.

Die Wissenschaftler aus Davos treffen zusammen mit internationalen Gästen aus Österreich, Frankreich, England, Italien und Spanien am Vorabend der Lawinensprengung in Sion ein. Der lokale SLF-Experte informiert über die Lage und gemeinsam diskutieren sie die geplante Sprengung und die nötigen Sicherheitsmassnahmen. Nach einer kurzen Nacht begeben sich die Teammitglieder zu den verschiedenen Beobachtungs- und Sicherheitsposten, um das Experiment vorzubereiten. Während das Feldteam die Kameras bereitstellt, wird vom Helikopter aus per Laser die Schneeverteilung im Hang ermittelt. Diese Information ist unbedingt nötig, um die Massenbilanz der Lawine zu kennen: man will wissen, wie viel Schnee angerissen ist und wie viel Schnee die Lawine auf ihrem Weg mitgerissen hat. Gleichzeitig überprüfen die SLF-Wissenschaftler im Bunker das Datenerfassungssystem. Mit diesem System können die Messungen von etwa 250 Sensoren mit Erfassungsraten bis zu 20 kHz während vier Minuten aufgezeichnet werden. Dabei entsteht eine Datenmenge von ungefähr 50 Gigabyte.

Der Start: die Auslösung

Sobald die Wissenschaftler bereit sind – sowohl an den Beobachtungspunkten als auch im Bunker – wird eine 15 kg schwere Sprengladung aus dem Helikopter in ein Anrissgebiet geworfen (Abb. 5). Die Druckwelle der Explosion löst ein Schneebrett aus, welches aufgrund der starken Scherkräfte und Kollisionen sofort in Fragmente und Schollen zerbricht. Die Anzahl und Grösse dieser Schollen bestimmen massgeblich die Energieumwandlung in einer Lawine und damit die maximale Geschwindigkeit, welche sie erreichen kann.

Beschleunigung und Endgeschwindigkeit

Die Anrisszonen "Pra Roua" und "Crêta Besse 2" sind durchschnittlich 35 Grad steil, diejenigen in "Crêta Besse 1" 45 Grad. In diesen steilen Hängen beschleunigen die Schneefragmente sehr schnell und erreichen rasch die noch steileren Couloirs, wo sie weiter beschleunigt werden. Die Front der Lawine kann dabei Geschwindigkeiten von bis zu 50-70 m/s, also 180-250 km/h, erreichen. Kleine Schnee- oder Eispartikel werden aus der fliessenden Masse hochgeschleudert und bilden eine grosse Staubwolke. Diese erreicht sofort Höhen von etwa 20 m und wächst dann weiter auf 50-100 m. Ihre Form erinnert an Blumenkohlwolken und sieht einer Explosion ähnlich. Überraschenderweise hört man während des Lawinenabgangs aber kaum einen Laut, ausser vielleicht dem Klicken der Beobachterkameras.

Aufpralldrücke

Die maximalen im VdlS gemessenen Aufpralldrücke liegen im Bereich von 1000 kPa, entsprechend einem Gewicht von 100 t/m2, also etwa 100 auf einem Quadratmeter aufgestapelter Autos. Gemessen wurde dieser Druck im Jahr 1999, als drei riesige Lawinen nach ausgiebigen Schneefällen im Januar und Februar ausgelöst wurden. Diese Lawinen starteten mit einem Volumen von 50‘000 m3, wuchsen dann aber schnell an auf über 200‘000 m3 (Abb. 1). Sie zerstörten die meiste Messinfrastruktur (Abb. 6) und den Masten, überrollten den Bunker und deckten ihn mit mehreren Metern Schnee zu. Zwischen 2001 und 2002 wurde der Mast neu gebaut und sollte nun Drücken bis zu 800 kPa widerstehen. Bislang hat er alle Lawinen überlebt.

Nachträgliche Untersuchungen

Das Feldteam versucht, bei einer Messkampagne so viele Lawinen wie möglich auszulösen. Bevor die Forschenden die Lawinenablagerungen untersuchen können, muss zuerst verbleibender Schnee aus den Anrissgebieten gesprengt werden, um die Personen in der Lawinenbahn nicht zu gefährden. Wiederum wird die Schneeverteilung mit dem Laser aus dem Helikopter vermessen, und neben der Grösse und Art der Ablagerungen wird auch der Lawinenanriss dokumentiert (Abb. 7).

Die Hindernisse

Auf einer Höhe von 1650 m wurden drei Hindernisse mit Messinstrumenten und Sensoren erbaut:

  • Der Keil (Abb. 8) ist das älteste Hindernis im VdlS und wurde 1997 erbaut. Die 5 m hohe dreieckige Stahlkonstruktion ist mit Drucksensoren bestückt, welche Normal- und Scherkräfte messen.
  • Der 19 m hohe Mast (Abb. 9) wurde ebenfalls 1997 erbaut, 1999 durch eine Lawine zerstört und danach in einer verstärkten Version neu erstellt. Im unteren Teil ist er alle 10 cm mit Geschwindigkeitssensoren bestückt, ausserdem sind an ihm Druck-, Temperatur-, Dichte- und Fliesshöhensensoren angebracht.
  • Im Jahr 2004 wurde von einer österreichischen Forschungsgruppe ein Betonkeil auf einer grossen Kraftmessplatte installiert (Abb. 10).

Die Hindernisse und die Sensoren werden den Technikern des SLF meist während des Sommers unterhalten. Dabei kalibrieren sie Sensoren oder tauschen defekte Teile aus (Abb. 11). Ab Oktober werden die ersten Schneefälle erwartet und das Testgelände muss zu diesem Zeitpunkt bereit stehen.

Der Bunker

Der Betonbunker (Abb. 2 und 3) hat zwei Stockwerke. Oben sind Doppler Radars und Videokameras montiert, die die Frontgeschwindigkeit der Lawinen messen. Die Radars sind in geöffneten Fenstern platziert und erfassen von dort aus die ganze Lawinenbahn. Jedes Fenster wird mit einer Klappe vom SLF-Team kurz vor Eintreffen der Lawine geschlossen. Im unteren Stock sitzen die SLF-Wissenschaftler während des Experiments und überwachen die Datenerfassungseinrichtungen.

Experimentelle Methoden

Dopplerradar

Die Geschwindigkeit von Fliess- und Staublawinen wird von der Auslösung bis zum Stillstand mittels Dopplerradars gemessen. Von den österreichischen Partnern sind zwei Dopplerradargeräte im Einsatz: radarhost7 und radarhost11. Sie unterscheiden sich in der maximalen räumlichen Auflösung (50 und 25 m) und in der Messfrequenz (5,800 und 5.835GHz).

GEODAR

Die Dynamik der Lawinenfront und der internen Wellen werden mit einem phasengesteuerten Dauerstrichradar (dem GEODAR) gemessen. Dieses Radar registriert den Fliessanteil und die dichten Fliessstrukturen unter der Staubwolke mit einer Auflösung von 0.75m und einer Messrate von 111Hz.

Photogrammetrie

Die Frontgeschwindigkeit der Lawine kann mit Photogrammetrie ermittelt werden. Diese Technik wird auch verwendet, um die Entwicklung der Staubwolke und damit des Lawinenvolumens zu studieren.

Optische Sensoren

Neben der Lawinenoberflächengeschwindigkeit ist auch die Verteilung der Geschwindigkeiten innerhalb einer Lawine wichtig, um das Fliessverhalten einer Lawine zu verstehen. Mit solchen Geschwindigkeitsprofilen gewinnt man Einblick in die Prozesse, welche die Lawinenbewegung bestimmen. Darum sind am Mast optische Sensoren eingebaut, welche auf verschiedenen Fliesshöhen die Fliessgeschwindigkeit messen.

Kraftmessplatten und Luftdrucksensoren

Aufprallkräfte werden mit Kraftmessplatten verschiedener Grössen von 0.1 m bis 1 m am Mast, am Keil und an der Betonwand gemessen. Luftdrucksensoren in einem speziell entwickelten Gehäuse erfassen auf dem Mast den Luftdruck über und in der Staublawine.

Temperatursensoren

Am Masten sind Temperatursensoren installiert. Diese messen die schnell ändernden Temperaturen in der fliessenden Lawine.

Kapazitätssensoren

Kapazitätssensoren für Dichtemessungen und Fliesshöhen ergänzen die Messinstrumente am Mast.

Messungen mittels Laserscanner

Die Massenbilanz einer Lawine ist ein entscheidender Faktor für ihre Dynamik. Um die Massenbilanz zu berechnen, muss man die Schneeverteilung vor und nach dem Lawinenereignis kennen. Es ist aber zu gefährlich, vor einem Lawinenabgang im Testgelände Schneehöhen zu messen. Deshalb werden Fernerkundungsmethoden angewendet: früher Photogrammetrie aus dem Helikopter vor und nach dem Lawinenereignis und seit 2006 Laserscanning. Trotzdem sind einige Messungen im Feld nach wie vor notwendig.

Frequenzmoduliertes Dauerstrich-(FMCW) Radar

Um die Messungen über die Massenbilanz zu vervollständigen, sind je drei Paar FMCW-Radars in der Lawinenbahn vergraben und zwar auf 2300 m ü. M., 1900 m ü. M. sowie bei den künstlichen Hindernissen. Die FMCW-Radars messen Schneeerosion und Fliesshöhe.

Infrarot Messungen

Während der künstlichen Auslösung werden die Lawinen mit einer Infrarotkamera gefilmt, um die Oberflächentemperaturen vor, während und nach der Auslösung zu ermitteln.

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