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Field measurements - from ram resistance profiles to computer models

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It was not long after the Swiss Commission for Avalanche Research was founded in 1931 that its members recognised the need to conduct research into the properties of snow and the snowpack in order to understand how avalanches arise. In consequence, the body itself was promptly renamed the Commission for Snow and Avalanche Research. Snowpack investigations remain an essential element of avalanche warning and research activities to this day.

 

First systematic measurements taken in 1936

Systematic measurements were first taken in 1936, on the Weissfluhjoch test site at an altitude of 2540 m. Apart from recording the amount of fresh snow and meteorological parameters, the pioneers determined the layering of the snowpack by regularly generating snow profiles. They also investigated the heat balance and settling of the snowpack, as well as the fracturing of slab avalanches (Fig. 1), for which purpose the Parsenn resort was especially well suited. In most cases, the researchers developed the investigative methods themselves; they frequently adapted techniques with which they were already familiar from their scientific training in mineralogy, geology, engineering or geotechnics. They developed the ram penetrometer (Fig. 2), for example, in order to measure the hardness of the snow layers. The measurement is performed by driving a tube with a conical tip into the snowpack. Its aim was, and still is, quickly to determine the layering of the snowpack and draw conclusions about its stability – without any digging.

Detailed insight into the snowpack

Mit der Rammsonde konnte dieses hochgesteckte Ziel nicht erreicht werden. In den späten 1990er Jahren entwickelten die Forschenden am SLF einen elektronischen „Nachfolger“ der Rammsonde: das Schnee-Mikro-Penetrometer (Abb. 3): Ein hochauflösender Kraftsensor an einer automatisch angetriebenen Sonde misst den Eindringwiderstand der verschiedenen Schneeschichten. Die Messungen mit dem SnowMicroPen sind schnell und objektiv und erfassen auch sehr dünne Schichten der Schneedecke – also mögliche Schwachschichten. Das SMP machte es erstmals möglich, viele Messungen in wenigen Stunden durchzuführen und damit vor allem die flächige Variabilität der Schneedecke zu erforschen. Aus dem Signal (Eindringwiderstand vs. Tiefe) kann unter anderem auch die Schneeart bestimmt werden. Auf Knopfdruck die Stabilität abzuleiten, ist auch mit dem SMP noch nicht gelungen, auch wenn wesentliche Fortschritte in diese Richtung erreicht wurden. Noch immer ist Graben angesagt: Die moderne Methoden werden meist noch mit klassischen Beobachtungen kombiniert, gerade auch mit Schneedeckentests.

Neue Technik Radar

Das Ziel einer schnellen, objektiven Charakterisierung der Schneedecke hat also bis heute nichts von seiner Aktualität eingebüsst. Zusätzlich sollte die Messung bestenfalls auch zerstörungsfrei sein, damit die zeitlichen Veränderungen der Schneedecke erfasst werden. Das SLF untersucht derzeit, ob ein Radarsystem, das vor dem Einwintern im Boden vergraben wird, dafür geeignet ist. Der Radar misst von unten die Schneeschichtung und erfasst zum Beispiel das Eindringen von Schmelzwasser.

Rutschblock als Vater der Stabilitäts-Tests

In den 1980er Jahren wurden Methoden entwickelt, um die Stabilität der Schneedecke im Gelände direkter zu untersuchen. Der Rutschblock, anfänglich als eine reine Demonstration eines Mini-Schneebrettes gedacht, etablierte sich als Standardtest. Eine 2 m x 1.5 m grosse Schneetafel wird auf allen Seiten von der Schneedecke isoliert, bevor eine Person sie zunehmend bis zum Bruch belastet (Abb. 4). Bald erkannten die Schneeforscher, dass es nicht nur wichtig ist, bei welcher Belastungsstufe der Block bricht, sondern dass es mindestens so sehr darauf ankommt, wie er bricht und welcher Teil des Blockes abgleitet. Heute wissen wir, dass diese Beobachtung mit der Bruchausbreitung zusammenhängt, die für die Lawinenbildung eine entscheidende Rolle spielt. Unterdessen gibt es Tests, die spezifisch auf die Bruchausbreitung ausgerichtet sind (Abb. 5).

Computermodelle

Feldmessungen werden – in Ergänzung zu Modellrechnungen und Laborexperimenten – auch in Zukunft ein wesentlicher Bestandteil der Forschung und der Lawinenwarnung sein. Da manuell aufgenommene Schneeprofile und Stabilitätstests als Punktmessungen nur selten ein umfassendes Bild der Situation im gesamten Alpenraum geben, ist es naheliegend die Schneedecke zu simulieren. Mit dem am SLF entwickelten Schneedeckenmodell SNOWPACK steht dafür ein bewährtes Programm zu Verfügung. An über 100 Standorten von automatischen Wetterstationen (IMIS) wird der Schneedeckenaufbau so stündlich modelliert (Abb. 6). Ähnlich wie beim SMP bildet die Bestimmung der Stabilität noch einen Knackpunkt – eine Herausforderung für weitere Forschung.