Лавина - чрезвычайно сложное явление, в котором участвуют бесчисленные параметры и физические переменные с момента возникновения лавины и до ее окончания. Йохан Гаум, научный сотрудник Лаборатории криосферных наук (CRYOS) и SLF, создал высокоточное цифровое моделирование лавины на основе этих параметров. Его работа, предлагающая беспрецедентное понимание того, как действуют лавины, может быть использована для улучшения управления рисками в горах. Оно было опубликовано сегодня в Nature Communications.
В прошлом году молодой эксперт по лавинам провел несколько месяцев в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе (UCLA), работая с экспертами по 3D-моделированию,некоторые из которых работали с инженерами Disney над моделированием снега в фильме «Холодное сердце».
Сочетание ноу-хау этих математиков с научным опытом Гаума оказалось выигрышной формулой. Математики смогли повысить точность своего моделирования снега благодаря глубоким знаниям Гаума, а также данным и полевым наблюдениям, собранным и проанализированным Алеком Ван Хервейненом, коллегой Гаума по SLF и соавтором исследования.
Используя совершенно новый подход, швейцарские и американские исследователи создали первое реалистичное, полное и научно строгое моделирование лавины из снежных плит - типа лавины, которая возникает, когда в верхней части снежной плиты появляется очень четкая линейная трещина. снежный покров. Обычно это происходит, когда на большой площади под плотным верхним слоем снега, известным как плита, находится слабый, а потому не очень сплоченный слой снежного покрова. Снежные лавины трудно предсказать, и их часто провоцируют лыжники или пешеходы, что делает их наиболее опасными и наиболее смертоносными видами лавин.
Двойной агент
"Что сделало наш подход таким оригинальным, так это то, что мы приняли во внимание тот факт, что снег в этом типе лавины ведет себя как твердое тело, так и как жидкость", - объясняет Гауме.
Лавина из снежных плит обычно возникает, когда на снегу есть дополнительная нагрузка, например, лыжник, пересекающий дорогу, или когда снежный покров дестабилизируется каким-либо другим образом, например, взрывом. Это вызывает появление трещины в нижнем слое снега, которая может быстро распространяться. В этот момент снег ведет себя в соответствии с принципами механики твердого тела. По мере распространения трещины пористая структура слабого слоя заставляет его разрушаться под тяжестью поверхностной плиты. Из-за своей массы и наклона плита освобождается и начинает скользить по более слабому слою. Столкновения, трение и трещины, которые испытывает твердый снег, когда верхний слой соскальзывает вниз и разрушается, приводят к коллективному поведению, характерному для жидкости.
Исследователи впервые смогли смоделировать обрушение пористого нижнего слоя в крупном масштабе, используя континуальный подход. Кроме того, модель объединяет лишь относительно небольшое число ключевых параметров, определяющих поведение снега на различных стадиях процесса; к ним относятся динамика трещин, трение и уровень уплотнения в зависимости от типа снега.
Исследователи позаимствовали технику, известную как метод материальной точки, которая используется для анализа поведения движущихся материалов, но никогда ранее не применялась при изучении схода лавин. Это легло в основу нового подхода исследователей к прогнозированию схода лавин и, следовательно, к их более эффективному предотвращению. «В дополнение к углублению наших знаний о том, как ведет себя снег, этот проект может позволить более точно оценить потенциальный размер лавины, расстояние схода и давление на любые препятствия на пути лавины», - говорит Гаум..
Моделирование исследователя также может быть применено в искусстве, особенно в анимационных фильмах.
Примечания:
CRYOS управляется совместно EPFL и Швейцарским федеральным институтом исследований леса, снега и ландшафта (WSL). Швейцарский федеральный институт исследований снега и лавин (SLF) является частью WSL.
«Динамическое распространение трещин в снегу», Дж. Гаум, Т. Гаст, Дж. Теран, А. ван Хервейнен, К. Цзян, Nature Communications, август 2018 г.
Джозеф Теран и Теодор Гаст, математический факультет Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, и Ченфанфу Цзян, Пенсильванский университет.