Svět vědy | Přehled ISSW2018: zasedání Sníh a lavinová dynamika

První zasedání ISSW2018 se zabývá tématem lavinové dynamiky, které zkoumá chování lavin v nejširším slova smyslu. Současný výzkum je mnohostranný - někteří vědci zkoumají velké laviny experimentálně, jiní se snaží simulovat a měřit účinky v laboratoři a další vyvíjejí a snaží se využívat počítačové modely. V současné době nabývá počítačové modelování stále většího významu, a tak není divu, že kdo dostal na konferenci hned první přednášku:

Co má lavinová dynamika společného s animátorskými studii společnosti Disney?

Od jisté doby se ve sněhové vědě rozhojňuje situace, která je výhodná pro obě strany. Během pobytu v Los Angeles vyvinul mladý profesor a profesionální snowboardista Johan Gaume společně se společností Disney model sněhu, který nejen dobře vypadá, ale také mimořádně dobře funguje (O1.1). Pokud chcete vědět, jak to vypadá, můžete navštívit aktuální film v kinech "Ledová královna 2". Pokud chcete sledovat vědecký rozsah modelu, doporučujeme Johanův kanál na Twitteru nebo webové stránky SLAB (laboratoř pro simulaci sněhu a lavin) na EPFL v Lausanne.

Fascinující na modelu je, že simuluje vlastnosti sněhu a z toho vyplývají všechny aplikace, jako je lomová mechanika a dynamika proudění. Technicky je model založen na "metodě materiálových bodů" (krátké vysvětlující video). Místo toho, aby byl založen na pevné výpočetní síti, jsou definovány "Materiálové body" (kvazi jednotlivá sněhová zrna nebo granule/sněhové koule), které nesou vlastnosti, jako je hmotnost, hybnost a deformace. To umožňuje simulaci v rozsahu několika řádů - tj. od slabé vrstvy v centimetrovém rozsahu až po proudění laviny ve stometrovém rozsahu. Kromě toho je právě tato simulační metoda vhodná pro modelování přechodů z mechaniky pevných látek do dynamiky proudění: Stacionární sněhová pokrývka se chová jako deformovatelné pevné těleso, ale lavina se chová spíše jako zrnitá tekutina.

Kromě výše zmíněné statistiky prostřednictvím validace modelu na základě mnoha lavin je dalším způsobem, jak přistupovat k nejistotě parametrů modelu, pravděpodobnostní statistika. Na jedné straně lze provést "soubor chudáků" použitím různých modelů proudění; nebo se citlivost parametru modelu na výsledek považuje za nejistotu samotných výsledků. V souladu s tím je v článku O1.4 definován takzvaný "gradient výběžku", tj. změna parametru, která zvýší simulovanou délku výběžku o 100m. Zhruba řečeno, zdvojnásobení šířky trhliny nebo snížení tření o 5 % zvýší délku vybíhání o 100 m. Takové pravděpodobnostní pojetí tedy umožňuje porovnat různé chyby vstupních parametrů a přenést nejistotu parametrů do výsledku simulace.

Další informace o modelování lavin a zpětném výpočtu jednotlivých lavin naleznete na článek O1.2 o lavinové nehodě v Rigopianu (střední Itálie), při níž byl zničen celý hotel.

Pokračování na další straně -->

15 kg výbušnin, 100 000 m³ sněhu a spousta dat

Experimentální lavinová dynamika je naprosto fantastická. Je to jedna z mála experimentálních geofyzikálních disciplín, kde se stále ještě dělá skutečný dojem - a když se do toho zapojí média, jsou z toho nejen velkolepé záběry, ale také kompletní auto v lavině. Auto bylo samozřejmě vybaveno nejen kamerami, ale také senzory zrychlení a rotace, které měří interakci s lavinou.

Apropos měření proudění: Dvě práce popisují 3D vytištěné koule, které jsou vybaveny snímači pohybu a polohy pro záznam podmínek v lavině. V zásadě se zde výzkum lavin překrývá s výzkumem skalních řícení, kde jsou podobné senzory umístěny v kamenech. Jednotlivé barevné kameny lze poměrně snadno lokalizovat pomocí snímků z kamer, ale v lavině je to obtížnější a pro výpočet polohy koulí zbývají pouze směry zrychlení (P1.2). V reakci na to příspěvek P1.3 vyvíjí polohovací systém založený na síti WLAN, který může být v blízké budoucnosti doplněn radarovým sledováním.

Velké lavinové zkušební stanice vybavené mnoha různými senzory lze spočítat na prstech jedné ruky. O to více potěší článek P1.8, který informuje o nové lokalitě v japonském Niseko. Jinými slovy, přímo ve známém prašanovém lyžařském středisku na Hokkaidó - měření a zároveň prašanové lyžování je i pro lavinové výzkumníky naprostou výhodou. Přestože testovací svahy mají výškový rozdíl jen asi 200 metrů, lze zde zkoumat laviny, které by jinak byly označeny jako "dynamicky nezajímavý malý smyk lyžaře". To je samozřejmě nesmysl, protože tyto laviny jsou na pomezí proudění a prachových lavin. Mimochodem, o tomto přechodu není známo prakticky nic.

Jistě, jsou zde i příspěvky z nejvýznamnějšího lavinového testovacího místa "Vallée de la Sionne" ve Valais. Dva příspěvky se zabývají měřením tlaku na 20 metrů vysokém ocelovém pylonu, který stojí v dráze laviny a je přímo obklopen vodou. Článek O1.5 se zabývá tlakem a ohybovým momentem v důsledku různých režimů proudění na ocelovém pylonu. Autoři zjistili, že prachové laviny způsobují především impulsní, krátkodobé a velmi vysoké dynamické tlaky v rozsahu až 1000 kPa. Naproti tomu pomalé laviny mokrého sněhu způsobují díky své vysoké hustotě trvalé tlaky kolem 400 kPa. Pro srovnání pro zóny lavinového nebezpečí platí, že hranice z červené do žluté zóny je přibližně 10 kPa a hranice do nezaznamenaných oblastí je 1 kPa. Více popisně: vodní sloupec o výšce 1 m způsobuje statický tlak přibližně 10 kPa.

Další laboratorní článek opakuje kvazivědecky korektní pokus z doby před třemi lety, kdy byl do míchadla na beton vhazován sníh o různých teplotách, aby se pozorovala tvorba zrnitých sněhových koulí. Bylo zjištěno, že při teplotách vyšších než -2 °C se sníh rychle slévá z jemnozrnného sněhu do koulí velikosti pěsti^TM - pro žáky bavorských základních škol triviální, pro akademiky složitý výsledek. Tento příspěvek P1.16 využívá také rotující buben o průměru 2,5 metru. Vylepšením oproti míchačce na beton je regulace otáček a přímé měření teploty, obsahu kapalné vody a průtočného profilu. Byla také stanovena mezní hodnota -2 °C až -1 °C, při které se poměrně prudce mění velikost zrn.

Mokrý sníh vs. teplý sníh

Po experimentech s míchačkou na beton se na teplotu sněhu zaměřili různí odborníci na lavinovou dynamiku. Na rozdíl od obsahu kapalné vody je teplota klasicky měřitelnou veličinou, kterou lze poměrně dobře simulovat pomocí modelů sněhové pokrývky a lze ji také přibližně odhadnout z historických údajů. Článek P1.14 informuje o možné parametrizaci teploty sněhu v lavinových modelech. Výše zmíněný článek o nehodě v hotelu Rigopiano také dochází k závěru, že teplý sníh ve spodní části lavinové dráhy byl rozhodující pro velkou délku sjíždění. I když termín lavina z mokrého sněhu nemusí být optimální, osobně považuji termín lavina z teplého sněhu za stejně slabý.

Závěr

Z příspěvků na konferenci je vždy obtížné ukázat současný stav výzkumu v dané oblasti. V současné době se toho v oblasti lavinové dynamiky děje určitě hodně a bude zajímavé sledovat, jak bude lavinová věda vypadat za 10 let. Vynikajícími novinkami na ISSW 2018 byly určitě Disneyho model, proudící senzorové uzly a skutečnost, že několik příspěvků nyní hovoří o teplém, nikoliv mokrém sněhu.