Ett unikt projekt kopplar samman mätningar på plats med forskning om naturrisker. De senaste tio åren, ett nätverk av trådlösa sensorer på Matterhorns Hörnli-ås har ständigt strömmat mätdata om tillståndet för branta bergväggar, permafrost och rådande klimat. Projektledaren, Jan Beutel, granskar framstegen hittills.

Sommarens värmebölja 2003 utlöste ett stenfall som chockade både forskare och allmänheten:1, 500 kubikmeter berg bröt sig loss från Hörnli ås – en volym som ungefär motsvarar två hus. Sprickhändelsen exponerade bar is på ytan av den branta branten. Experter insåg snart att rekordtemperaturerna hade värmt berget ner till ett sådant djup att isen i dess porer och sprickor hade smält. Detta orsakade effektivt en plötslig minskning av bindningen som höll ihop bergmassan.

Det oförutsägda stenfallet var incitamentet för att sätta upp PermaSense, ett unikt projektkonsortium som samlar experter från olika ingenjörs- och miljöforskningsdiscipliner från ETH Zürich och flera andra institutioner, inklusive universiteten i Basel och Zürich. Projektet startade 2006 med det initiala målet att göra mätningar och observationer som tidigare inte varit möjliga. Med hjälp av den senaste tekniken, forskarna försökte få in-situ-mätningar i permafrost av brant berggrund av oöverträffad kvalitet och kvantitet.

Inte bara var de framgångsrika, men forskarna slog sitt mål bekvämt, som de rapporterar i en artikel som just publicerats i tidskriften Earth System Science Data . Studien beskriver ett unikt 10-årigt rekord av högupplösta data som fångats av forskare på Hörnli-ryggen på Matterhorn, 3500 meter över havet. Totalt 17 olika sensortyper placerade på 29 distinkta sensorplatser i och runt 2003 års stenfallszon levererade 115 miljoner separata datapunkter.

"Denna datamängd utgör den längsta, tätaste och mest mångsidiga dataposten i historien om alpin permafrostforskning över hela världen, säger Jan Beutel, Senior forskare vid Computer Engineering and Networks Laboratory vid ETH Zürich, med en förståelig stolthet:han är drivkraften bakom initiativet.

Använda avancerade trådlösa sensorer, forskarna har lyckats göra stora volymer av högkvalitativ data tillgänglig nästan i realtid, och noggrant övervaka och kontrollera de pågående experimenten. "Den kombinerade analysen av långtidsövervakning erhållen från olika typer av instrument leder till en bättre förståelse av de processer som kan leda till destabilisering av brant berg, säger Samuel Weber, medledare för projektet och nu postdoktor vid TU München.

Sensornätverket består också av en automatisk högupplöst kamera som tar bilder av frakturplatsen varannan minut. "Crackmeters" mäter sprickornas vidgning och förskjutningen av stenblock. Temperaturer mäts på olika djup i bergväggen, såväl som på ytan. Inklinometrar och GPS-sensorer mäter permanent hur mycket större stenpartier samt hela bergsryggen deformeras och lutar gradvis mot dalen. Under de senaste åren har forskarna lagt till utrustning för att mäta akustiska emissioner och mikroseismiska data.

Data vidarebefordras via WLAN från Hörnli-åsen till toppstationen för linbanan i Klein Matterhorn i närheten, varifrån de sänds i realtid via Internet till ETH Zürichs datacenter. Här fångas de kontinuerligt, analyserat och bedömt – och har varit det under de senaste 10 åren, dygnet runt, oavsett väder.

10 års permafrostmätning

"Under de senaste tre åren av vårt projekt, inkorporeringen av mer komplexa seismiska data har varit särskilt användbara för att hjälpa oss att kvantifiera det vi var angelägna om att undersöka från början:destabiliseringen som ledde till stenfall. Detta har hjälpt oss att identifiera mönster i signalerna från berget som gör att vi kan fånga sådana händelser, " säger Beutel.

Mätning av resonansfrekvenserna för bergytan

Användningen av seismiska avkänningssystem gjorde det möjligt att upptäcka många olika signaler – till exempel bildandet av sprickor som ursprungligen var osynliga och gömda i bergytan – som de tidigare sensorerna inte kunde fånga upp. "Seismiska sensorer fångar mycket mer data, och erbjuder oss oöverträffad informationstäthet och analysmöjligheter, säger elektrikern. Men dessa sensorer har flera nackdelar:de behöver kablar, mer kraft, och djupa borrhål, som först måste borras. Och de spelar också in signaler som inte har något med berget att göra, som fotspår från klättrare på väg till Matterhorns topp.

Forskarna var först tvungna att ta bort allt omgivande brus från dessa data med hjälp av maskininlärning och smarta algoritmer som programmerades direkt in i de trådlösa sensorerna av ETH-doktoranderna som för närvarande är involverade i projektet. För att testa mot grundsanningen matade de också algoritmerna med data som registrerats vid Hörnlihütte, en alpstuga där bergsklättrare som klättrar på Matterhorn övernattar. Antalet personer som stannar över natten och klättrar var och en tjänar som en indikation när människor som klättrar på berget skapar störningar.

Analys av de filtrerade seismiska data ger en intressant bild för Beutel:"Resonansfrekvenserna som förekommer i bergarterna varierar avsevärt under året." Detta fenomen är kopplat till frysnings- och upptiningsprocesserna på berget. Många mikrosprickor och sprickor är fyllda med is och sediment, och denna blandning fryses stenhårt på vintern. När detta tinar på sommaren, bindningen i sprickorna förändras. Den fritt vibrerande bergmassan förstoras, och som ett resultat minskar resonansfrekvensen. Det omvända händer på vintern:bergmassans resonansfrekvens ökar.

"Det är samma princip som på en gitarr - tonen beror på var du greppar strängarna och skapar vibrerande element med olika längd, " förklarar Beutel.

"Mycket abrupta förändringar i mönstret för dessa resonansfrekvenser skulle indikera att stabiliteten för en del av bergytan har förändrats, " säger Beutel. Om frekvenserna sjunker, det kan betyda att befintliga sprickor har fördjupats eller öppnats, vilket möjligen indikerar ett uppkommande stenfall med en ansenlig massa.

"Med hjälp av seismiska och akustiska data, kombinerat med mätningar av sprickbredder och bilder av undersökningsplatsen, vi kan identifiera ganska exakt hur permafrosten förändras och göra förutsägelser om problem som börjar utvecklas, " säger Beutel. "Jag anser att detta är en av de bästa framgångarna hittills i PermaSense-projektet."

Han säger att allt är tack vare sin projektpartner, Samuel Weber, som tillbringade de senaste tre åren med att skriva en banbrytande avhandling om detta ämne vid universitetet i Zürich. En annan nyckelfaktor var ETH-professor Donath Fäh och den schweiziska seismologiska tjänstens engagemang, som tillhandahöll seismologisk expertis.

Plötsligt öppnande av bergsprickor

Mätprojektet på Matterhorn är inte över än, men pågår fortfarande. Medan den fortfarande är igång, Beutel är angelägen om att överföra kunskapen från "Horu, "det lokala namnet för det ikoniska berget, till andra projekt och webbplatser. Den tekniska och geologiska expertis som förvärvats kan nu användas för att prognostisera naturrisker. Beutel säger att en möjlig användning kan vara vid Piz Cengalo i Bregaglia-dalen. Sommaren 2017 dödade ett massivt stenfall på flera miljoner kubikmeter ett antal människor och det resulterande skräpflödet förstörde delar av byn Bondo nedanför. Experter är överens om att ytterligare stenfall kommer att ske på detta berg och övervakar nu förhållandena dygnet runt med radar men in-situ-mätningar saknas hittills.