Hotet om jordskred är återigen i nyheterna när stormande vinterstormar i Kalifornien hotar att undergräva eldhärdade sluttningar och föra med sig dödliga skräpflöden som kraschar in i hem och översvämmar vägar.

Men det krävs inga skogsbränder för att avslöja rasfaran, University of California, Berkeley, säger forskare. Flygundersökningar med hjälp av luftburen laserkartläggning – LiDAR (ljusdetektion och avstånd) – kan ge mycket detaljerad information om topografi och vegetation som gör det möjligt för forskare att identifiera vilka jordskredbenägna områden som kan ge vika under en förväntad regnstorm. Detta är särskilt viktigt för att förutsäga var grunda jordskred - de som bara involverar jordmanteln - kan mobiliseras och förvandlas när de färdas nedför sluttningen till destruktiva skräpflöden.

Fångsten, de säger, är att sådan information ännu inte kan hjälpa till att förutsäga hur stora och potentiellt farliga jordskreden kommer att bli, vilket innebär att evakueringar kan riktas mot många fler människor än vad som verkligen hotas av stora ras och skräpflöden.

I en ny tidning som kommer ut denna vecka i tidningen Proceedings of the National Academy of Sciences, forskarna, UC Berkeleys geolog William Dietrich och projektforskaren Dino Bellugi rapporterar sitt senaste försök att märka jordskredbenägna områden enligt deras sannolika storlek och riskpotential, i hopp om mer exakta förutsägelser. Deras modell tar hänsyn till de fysiska aspekterna av sluttningar – brant, rotstrukturer som håller sluttningen på plats och markens sammansättning – och vägarna vattnet följer när det rinner nedför sluttningen och ner i jorden.

Än, medan modellen är bättre på att identifiera områden som är utsatta för större och potentiellt farligare jordskred, forskarna upptäckte faktorer som påverkar skredstorleken som inte lätt kan bestämmas utifrån flygdata och måste bedömas från marken - en skrämmande uppgift, om man är orolig för hela delstaten Kalifornien.

De viktigaste okända är hur den underliggande jorden och den underliggande berggrunden är och påverkan av tidigare jordskred på markförhållandena.

"Våra studier belyser problemet med överprediktion:Vi har modeller som framgångsrikt förutsäger platsen för de bilder som inträffade, men det slutar med att de förutsäger massor av platser som inte inträffade på grund av vår okunnighet om underytan, sa Dietrich, UC Berkeley professor i jord- och planetvetenskap. "Våra nya rön pekar specifikt på att den rumsliga strukturen hos materialet i en kulle - jorddjup, rotstyrka, permeabilitet och variationer över sluttningen – spelar en roll i storleken och fördelningen och, därför, själva faran. Vi träffar en vägg – om vi vill komma längre med jordskredsprognoser som försöker specificera var, när och hur stort ett jordskred kommer att bli, vi måste ha kunskap som är riktigt svår att få, men spelar roll."

Modeller nyckeln till riktade evakueringar

Årtionden av studier av Dietrich och andra har lett till prediktiva modeller av var och under vilka nederbördsförhållanden sluttningar kommer att misslyckas, och sådana modeller används över hela världen i samband med väderprognoser för att lokalisera områden som kan drabbas av halka i en mötande storm och varna invånare. Men dessa modeller, utlöst av så kallade "empiriska nederbördströsklar, "är konservativa, och statliga myndigheter slutar ofta med att utfärda evakueringsvarningar för stora områden för att skydda liv och egendom.

Dietrich, som leder Eel River Critical Zone Observatory – ett decennierlångt projekt för att analysera hur vatten rör sig hela vägen från trädkronan genom jorden och berggrunden och in i bäckarna – försöker förbättra förutsägelsemodeller för jordskredstorlek baserade på backarnas fysik. Luftburen laseravbildning med LiDAR kan ge detaljer i submeterskala, inte bara av vegetation, men också av marken under vegetationen, möjliggör exakta mätningar av sluttningar och en bra uppskattning av typen av vegetation på sluttningarna.

Backar misslyckas under regnstormar, han sa, eftersom vattentrycket i jorden – portrycket – trycker isär jordpartiklar, gör dem flytande. Flytkraften minskar friktionen som håller jordpartiklarna mot gravitationen, och när rutschkanans massa är tillräcklig för att knäppa rötterna som håller jorden på plats, sluttningen sjunker. Grunda rutschbanor kan endast involvera den översta delen av jorden, eller skura ner till berggrunden och trycka allt nedanför den nedförsbacke, skapar dödliga skräpflöden som kan färdas flera meter per sekund.

Varje vått år längs Stillahavskusten, hem sopas bort och liv går förlorade efter stora jordskred, även om hotet är globalt. Som illustreras av ett jordskred i Sausalito för exakt två år sedan, jordskred kan uppstå bara en kort bit uppför och mobiliseras som ett skräpflöde som färdas meter per sekund innan det träffar ett hus. Storleken på det första jordskredet kommer att påverka flödets djup och hastighet och avståndet det kan färdas nedför sluttningar in i kanjoner, sa Dietrich.

Med tidigare datormodeller, Dietrich och hans kollegor kunde mer exakt peka ut de platser på sluttningar som skulle drabbas av jordskred. 2015, till exempel, Bellugi och Dietrich använde sin datormodell för att förutsäga grunda jordskred på en väl studerad sluttning i Coos Bay, Oregon, under en sekvens av jordskred som utlöser regnstormar, baserat enbart på dessa fysiska åtgärder. Dessa modeller använde LiDAR-data för att beräkna branthet och hur vatten skulle rinna nedför sluttningen och påverka portrycket inuti sluttningen; den säsongsbetonade historien om nederbörden i området, som hjälper till att bedöma hur mycket grundvatten som finns; och uppskattningar av jord- och rotstyrkan.

I den nya tidningen, Bellugi och David Milledge från Newcastle University i Newcastle upon Tyne i Storbritannien testade jordskredmodellen på två mycket olika landskap:en mycket brant, djupt etsad och skogklädd sluttning i Oregon, och en slät, gräsbevuxen, svagt sluttande glaciärdal i Englands berömda Lake District.

Förvånande, de fann att fördelningen av små och stora grunda jordskred var ganska lika över båda landskapen och kunde förutsägas om de tog hänsyn till en extra information:variationen i backens styrka över dessa sluttningar. De upptäckte att små rutschbanor kan förvandlas till stora rutschbanor om förhållandena - markstyrka, rotstyrka och portryck – varierar inte tillräckligt över korta avstånd. Väsentligen, små rutschbanor kan fortplanta sig över sluttningen och bli större genom att koppla ihop isolerade rutschkannade områden, även om de är åtskilda av mer solid lutning.

"Dessa områden som är känsliga för grunda jordskred, även om du kanske kan definiera dem, kan smälta samman, om de är tillräckligt nära varandra. Då kan du få ett stort jordskred som omfattar några av dessa små fläckar med låg styrka, " sa Bellugi. "Dessa fläckar med låg styrka kan vara åtskilda av områden som är starka - de kan vara tätt belägna eller mindre branta eller torrare - men om de inte är väl åtskilda, då kan dessa områden smälta samman och göra ett jätteskred."

"På sluttningar, det finns träd och topografi, och vi kan se dem och kvantifiera dem, " tillade Dietrich. "Men börja från ytan och gå ner i marken, det finns mycket som vi behöver i modeller som vi nu inte kan kvantifiera över stora områden:den rumsliga variationen i markdjup och rotstyrka och påverkan av grundvattenflödet, som kan komma ut ur den underliggande berggrunden och påverka markens portryck."

Att få så detaljerad information över en hel backe är en stor ansträngning, sa Dietrich. På Oregon och Lake District sluttningar, forskare gick eller skannade hela området för att kartlägga vegetation, markens sammansättning och djup, och tidigare bilder meter för meter, och sedan noggrant uppskattad rotstyrka, vilket är opraktiskt för de flesta backar.

"Vad detta säger är att för att förutsäga storleken på ett jordskred och en storleksfördelning, vi har en betydande barriär som kommer att bli svår att passera – men vi måste – som är att kunna karakterisera materialets egenskaper under ytan, " Sa Dietrich. "Dinos papper säger att den rumsliga strukturen i underytan spelar roll."

Forskarnas tidigare fältstudier fann, till exempel, att sprucken berggrund kan tillåta lokaliserat vattenflöde under ytan och undergräva annars stabila sluttningar, något som inte kan observeras – ännu – genom flygundersökningar.

De uppmanar till mer intensiv forskning på branta sluttningar för att kunna förutsäga dessa underjordiska egenskaper. Detta kan innefatta mer borrning, installation av hydrologisk övervakningsutrustning och tillämpning av andra geofysiska verktyg, inklusive konpenetrometrar, som kan användas för att kartlägga mark som är känslig för haveri.