Utifrån det faktum att snön i en lavin kan bete sig som både en fast och en vätska, en ung forskare vid EPFL och SLF har lyckats simulera en snöskred lavin med oöverträffad precision.

En lavin är en extremt komplex händelse, med otaliga parametrar och fysiska variabler som spelar in från det att lavinen utlöses tills den tar slut. Johan Gaume, en forskare vid Laboratory of Cryospheric Sciences (CRYOS) och SLF, har skapat en mycket exakt digital simulering av en lavin baserad på dessa parametrar. Hans arbete, som ger en enastående inblick i hur laviner fungerar, kan användas för att förbättra riskhanteringen i bergen. Det publicerades idag i Naturkommunikation .

Den unga lavinexperten tillbringade flera månader förra året vid University of California Los Angeles (UCLA) och arbetade med 3D-modelleringsexperter, några av dem hade arbetat med Disneys ingenjörer för att simulera snön i filmen Frozen.

Att kombinera dessa matematikers kunnande med Gaumes vetenskapliga expertis visade sig vara en vinnande formel. Matematikerna kunde öka noggrannheten i sin snösimulering tack vare Gaumes djupgående kunskap och data och fältobservationer som samlats in och analyserats av Alec Van Herwijnen, Gaumes SLF-kollega och medförfattare till studien.

Antar ett helt nytt tillvägagångssätt, schweiziska och amerikanska forskare skapade den första realistiska, fullständig och vetenskapligt noggrann simulering av en snöskred lavin - en typ av lavin som uppstår när en mycket tydlig linjär spricka dyker upp på toppen av snöpaket. Detta händer vanligtvis när, över ett stort område, det finns ett svagt - och därför inte särskilt sammanhängande - snöpacklager under det täta topplagret av snö, känd som plattan. Snöskred laviner är svåra att förutsäga och ofta utlösta av skidåkare eller vandrare, vilket gör dem till den farligaste och mest dödliga typen av laviner.

Dubbelagent

"Det som gjorde vårt tillvägagångssätt så originellt var att vi tog hänsyn till det faktum att snön i den typen av laviner beter sig som både en fast och en vätska, "förklarar Gaume.

En snöskred lavin vanligtvis utlöses när det finns en extra belastning - till exempel en korsande skidåkare - på snön, eller när snösäcken är destabiliserad på något annat sätt, till exempel genom en explosion. Detta orsakar en spricka i det nedre lagret av snö, som kan spridas snabbt. Vid denna tidpunkt, snön beter sig i enlighet med principerna för fast mekanik. När sprickan sprider sig, det svaga skiktets porösa struktur får det att kollapsa under ytskivans vikt. På grund av dess massa och lutningen, plattan släpps sedan och börjar glida över det svagare skiktet. Kollisionerna, friktioner och sprickor som den fasta snön upplever när det översta lagret glider nedåt och bryts isär leder till ett kollektivt beteende som är karakteristiskt för en vätska.

Forskarna kunde simulera kollapsen av det porösa bottenlagret för första gången i stor skala med hjälp av en kontinuummetod. Dessutom, modellen integrerar endast de relativt få nyckelparametrarna som dikterar hur snön kommer att bete sig i de olika stadierna av processen; dessa inkluderar dynamiken i frakturen, friktion, och komprimeringsnivån baserat på snötypen.

Forskarna lånade en teknik som kallas materialpunktmetoden, som används för att analysera hur rörliga material beter sig men som aldrig tidigare hade tillämpats i studien av lavinutsläpp. Det låg till grund för forskarnas nya tillvägagångssätt för att förutsäga laviner - och därför också förhindra dem mer effektivt. "Förutom att fördjupa vår kunskap om hur snö beter sig, detta projekt kan göra det möjligt att bedöma den potentiella storleken på en lavin, utloppsavståndet och trycket på eventuella hinder i lavinens väg mer exakt, säger Gaume.

Forskarens simuleringar kan också tillämpas inom konsten - och särskilt i animerade filmer.