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Bruchausbreitung und Lawinenauslösung

 

Jeder, der schon einmal Schneemauern entlang einer Strasse oder Schnee auf einem Dach genauer angeschaut hat, wird festgestellt haben, dass die Schneedecke aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist. Diese Schichtung ist für die Bildung von Lawinen von entscheidender Bedeutung.

 

Die Voraussetzungen für die Auslösung einer Schneebrettlawine lassen sich in vier Punkten zusammenfassen: (1) Eine kritische Schichtung der Schneedecke mit einem Schneebrett über eine Schwachschicht, (2) eine Zusatzbelastung, (3) eine weitgehend gleichmäßige Verbreitung der Schneedeckeneigenschaften und (4) ein ausreichend steiler Hang. Ist die Schichtung der Schneedecke als kritisch einzustufen, kann durch eine von außen einwirkende Zusatzbelastung ein Initialbruch in einer brüchigen Schwachschicht (schwarze Pfeile in Abbildung 1) unterhalb besser miteinander verbundenen Schichten, dem sogenannten Schneebrett, erfolgen. Wenn diese Schneeschichten über eine gewisse Fläche hinweg ähnlich sind und der Initialbruch eine kritische Größe erreicht hat, wird sich der Bruch in der Schwachschicht rasch selbstständig fortpflanzen. Dieser Bruch breitet sich also von seinem Ursprung (Ort des Initialbruchs) weg aus. Die zuvor durch die Schwachschicht gegebene Verbindung zwischen Schneebrett und den darunterliegenden Schichten wird mit dem Bruch der Schwachschicht aufgehoben und das Schneebrett wird von seiner Unterlage getrennt. Überschreitet die Neigung in dem betreffenden Hang etwa 30°, wird das Schneebrett abgleiten (Abbildung 1).

 

Feldexperimente

Dank technologischer Fortschritte ist es heutzutage möglich, die oben beschriebenen Prozesse im Detail zu verfolgen. Mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitskameras können Brüche in Schwachschichten während Feldexperimenten mit hoher Auflösung aufgenommen werden (Abb. 2). Mit Hilfe digitaler Bildverarbeitung (vgl. Abb. 3) lässt sich der zeitliche Ablauf der Bruch- und Verformungsprozesse verfolgen.  Das Verhalten der Schneeschichten während der einzelnen Bruchausbreitungsphasen gibt uns Aufschluss über wichtige Schneeeigenschaften.
Zusätzlich lassen sich Schneeeigenschaften mit dem Schnee-Mikropenetrometer bestimmen. Das SMP ähnelt einer Sonde und misst mit einer Abtastrate von 5 kHz den Eindringwiderstand in die Schneedecke. Aus dem aufgezeichneten Signal lassen sich mechanische Eigenschaften ableiten, die dann als Grundlage für numerische Simulationen der Feldexperimente dienen.

Numerische Simulationen

Eine unumgängliche Problematik von Feldexperimenten ist die räumliche Variabilität der Schneedecke sowie die gegenseitige Abhängigkeit vieler Schneeeigenschaften wie z.B. Elastizität, Dichte und Festigkeit. Die vielen für die Lawinenbildung relevanten Parameter können bei Experimenten oft nicht alle gemessen werden. Numerische Simulationen der Bruchprozesse bei der Lawinenbildung schaffen hierfür Abhilfe und erlauben uns eine differenziertere Untersuchung der Schlüsselgrössen. Das zu Grunde liegende Modell einer Simulation ist jedoch nur hilfreich wenn es die Realität gut abbildet und somit die Feldexperimente reproduzieren kann. Deshalb werden die Modelle stets mit den Ergebnissen der Feldexperimente kalibriert und validiert.

 

Schlüsselgrössen für die Lawinenauslösung

Alle Feldexperimente und numerische Simulationen zielen auf ein besseres Verständnis des Bruchvorgangs ab und sollen den Wissensstand auf dem Gebiet der Lawinenbildung erweitern. Denn erst mit einem guten Prozessverständnis lässt sich die ohnehin bereits gute Lawinenvorhersage noch weiter verbessern. Gerade die Stabilität der Schneedecke sowie die zu erwartende Grösse von Lawinen sind Schlüsselfaktoren bei der Erstellung des Lawinenbulletins. Die Stabilität ist dabei direkt mit der kritischen Länge des Initialbruchs verknüpft. Wie weit sich anschließend der Bruch in der Schwachschicht fortpflanzt ist ein massgeblicher Faktor für die Lawinengrösse.

Das Ziel dieses Forschungsprojekts ist es, mechanische Schneeeigenschaften zugänglich zu machen und deren Einfluss auf die Schneedeckenstabilität sowie die Bruchausbreitung zu bestimmen, um letztlich die Lawinenvorhersage zu verbessern.