World of Science | Revista ISSW2018: Sesión Dinámica de la nieve y las avalanchas

La primera sesión de la ISSW2018 aborda el tema de la dinámica de las avalanchas, que examina el comportamiento del flujo de las avalanchas en el sentido más amplio. La investigación actual tiene múltiples vertientes: algunos científicos investigan experimentalmente las grandes avalanchas, otros intentan simular y medir los efectos en el laboratorio y otros desarrollan y se esfuerzan por utilizar modelos informáticos. Hoy en día, la modelización por ordenador es cada vez más importante, por lo que no es de extrañar quién se llevó la primera charla de la conferencia:

¿Qué tiene que ver la dinámica de las avalanchas con los estudios de animación de Disney?

Desde hace algún tiempo, una situación beneficiosa para todos está alimentando la ciencia de la nieve. Durante una estancia en Los Ángeles, el joven profesor y snowboarder profesional Johan Gaume desarrolló junto con Disney un modelo de nieve que no sólo tiene buen aspecto, sino que también funciona excepcionalmente bien (O1.1). Si quiere saber qué aspecto tiene, puede visitar la actual película de cine "La Reina del Hielo 2". Si quieres seguir el alcance científico del modelo, te recomendamos el canal de Twitter de Johan o la página web del SLAB (laboratorio de simulación de nieve y avalanchas) de la EPFL en Lausana.

Lo fascinante del modelo es que simula las propiedades de la nieve y de ahí surgen todas las aplicaciones como la mecánica de fracturas y la dinámica de flujos. Técnicamente, el modelo se basa en el "Método de los Puntos Materiales" (breve vídeo explicativo). En lugar de basarse en una malla computacional rígida, se definen "Material Points" (granos o gránulos/bolas de nieve casi individuales), que llevan propiedades como masa, momento y deformación. Esto permite simular varios órdenes de magnitud, es decir, desde la capa débil en el rango de los centímetros hasta el flujo de la avalancha en el rango de los cien metros. Además, es precisamente este método de simulación el que resulta adecuado para modelizar las transiciones de la mecánica de sólidos a la dinámica de flujos: El manto de nieve estacionario se comporta como un sólido deformable, pero la avalancha se comporta más bien como un fluido granular.

Además de la estadística mencionada mediante la validación del modelo basada en muchas avalanchas, la probabilística es otra forma de abordar la incertidumbre de los parámetros del modelo. Por un lado, el "poor man's ensemble" puede llevarse a cabo aplicando diferentes modelos de flujo; o la sensibilidad de un parámetro del modelo al resultado se considera como incertidumbre en los propios resultados. En consecuencia, el artículo O1.4 define el denominado "gradiente de runout", es decir, el cambio de un parámetro que aumenta en 100 m la longitud de runout simulada. A grandes rasgos, duplicar la anchura de la grieta o reducir la fricción en un 5% aumenta la longitud del runout en 100m. Así pues, este concepto probabilístico permite comparar los diferentes errores de los parámetros de entrada y transferir la incertidumbre de los parámetros al resultado de la simulación.

Para más información sobre la modelización de aludes y el cálculo retrospectivo de aludes individuales, visite artículo O1.2 sobre el accidente de avalancha en Rigopiano (centro de Italia), en el que se destruyó un hotel entero.

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15 kg de explosivos, 100.000 m³ de nieve y muchos datos

La dinámica experimental de aludes es absolutamente fantástica. Es una de las pocas disciplinas geofísicas experimentales en las que todavía tiene un impacto real - y cuando los medios de comunicación están involucrados, no sólo hay imágenes espectaculares, sino también un coche completo en la avalancha. Por supuesto, el coche no sólo estaba equipado con cámaras, sino también con sensores de aceleración y rotación para medir la interacción con la avalancha.

Apropos mediciones de flujo: Dos artículos describen bolas impresas en 3D, equipadas con sensores de movimiento y posicionamiento para registrar las condiciones en la avalancha. En principio, la investigación sobre avalanchas se solapa aquí con la investigación sobre desprendimientos de rocas, donde se colocan sensores similares en las piedras. Las piedras de colores individuales pueden localizarse con bastante facilidad mediante imágenes de cámara, pero en una avalancha es más difícil y sólo quedan las direcciones de aceleración para calcular la posición de las bolas (P1.2). En respuesta, contribución P1.3 está desarrollando un sistema de posicionamiento basado en WLAN, que podría complementarse con el seguimiento por radar en un futuro próximo.

Las grandes zonas de ensayo de avalanchas equipadas con muchos sensores diferentes pueden contarse con los dedos de una mano. Por eso resulta tan agradable el artículo P1.8, que informa sobre un nuevo emplazamiento en Niseko, Japón. En otras palabras, justo en la conocida estación de esquí en polvo de Hokkaido: medir y esquiar en polvo al mismo tiempo es también una ventaja absoluta para los investigadores de avalanchas. Aunque las pistas de prueba sólo tienen una diferencia de altura de unos 200 metros, se pueden investigar avalanchas que, de otro modo, se calificarían de "pequeño deslizamiento de esquiador sin interés dinámico". Por supuesto, esto no tiene sentido, ya que estos aludes se encuentran en el límite entre los aludes de flujo y los de polvo. Por cierto, prácticamente no se sabe nada sobre esta transición.

Por supuesto, también hay contribuciones del lugar de pruebas de avalanchas más prominente "Vallée de la Sionne" en Valais. Las dos contribuciones tratan de las mediciones de presión en un pilón de acero de 20 metros de altura, que se encuentra en la trayectoria de la avalancha y está directamente rodeado de agua. El artículo O1.5 trata de la presión y el momento flector debidos a distintos regímenes de flujo en el pilón de acero. Los autores constatan que las avalanchas de polvo provocan principalmente presiones dinámicas impulsivas, de corta duración y muy elevadas, del orden de hasta 1000kPa. En cambio, las avalanchas lentas de nieve húmeda causan presiones continuas de unos 400kPa debido a su alta densidad. Como comparación para las zonas de peligro de aludes, el límite de la zona roja a la amarilla es de unos 10kPa, y el límite con las zonas no zonificadas es de 1kPa. Más descriptivo: una columna de agua de 1m de altura provoca unos 10kPa de presión estática.

Otro artículo de laboratorio repite un experimento casi científicamente correcto de hace 3 años, en el que se introdujo nieve de diferentes temperaturas en una hormigonera para observar la formación de bolas de nieve granulada. Se comprobó que, a temperaturas superiores a -2 °C, la nieve de grano fino se convertía rápidamente en bolas del tamaño de un puño^TM: un resultado trivial para los alumnos de primaria bávaros, pero complejo para los académicos. Esta contribución P1.16 también utiliza un tambor giratorio de 2,5 metros de diámetro. La mejora con respecto a la hormigonera es el control de la velocidad y la medición directa de la temperatura, el contenido de agua líquida y el perfil de flujo. También se determinó el valor límite de -2°C a -1°C, en el que el tamaño del grano cambia de forma bastante abrupta.

Nieve húmeda frente a nieve caliente

Después de los experimentos con la hormigonera, varios expertos en dinámica de aludes se centraron en la temperatura de la nieve. A diferencia del contenido de agua líquida, la temperatura es una variable medible clásica que puede simularse bastante bien con modelos de manto nivoso y también puede estimarse aproximadamente a partir de datos históricos. El artículo P1.14 informa sobre una posible parametrización de la temperatura de la nieve en los modelos de aludes. El artículo sobre el accidente del hotel en Rigopiano mencionado anteriormente también llega a la conclusión de que la nieve caliente en la parte inferior de la trayectoria de la avalancha fue decisiva para la gran longitud del recorrido. Aunque el término alud de nieve húmeda puede no ser óptimo, personalmente encuentro el término alud de nieve caliente igual de débil.

Conclusión

Siempre es difícil mostrar el estado actual de la investigación en un campo a partir de las contribuciones a una conferencia. Sin duda, están sucediendo muchas cosas en la dinámica de las avalanchas en este momento, y será emocionante ver cómo será la ciencia de las avalanchas dentro de 10 años. Las innovaciones destacadas en ISSW 2018 fueron definitivamente el modelo Disney, los nodos sensores que fluyen y el hecho de que varias contribuciones ahora hablan de nieve caliente en lugar de húmeda.