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Source text - German Für Bauten in lawinengefährdeten Gebieten und für die Erstellung von Gefahrenkarten müssen Geschwindigkeit, Druck, Höhe und Auslaufstrecke von Lawinen bekannt sein. Zu deren Berechnung dient im Wesentlichen ein Modell, das A. Voellmy nach den extremen Lawinenwintern 1951 in der Schweiz und 1955 in Österreich entwickelt hat.
Das Kernproblem in der Lawinendynamik ist damals wie heute die mathematische Formulierung der Reibung. Diese bestimmt die Lawinengeschwindigkeit und die Auslaufstrecke. Voellmy hat sich bewegenden Schnee als eine Mischung aus flüssigen und festen Bestandteilen vorgestellt. Er war sich bewusst, dass die Reibung der festen Bestandteile durch „Vibration“ vermindert wird. Voellmy konnte diesen Effekt in seiner mathematischen Darstellung aber nicht explizit berücksichtigen, sondern versuchte, denselben mit verschiedenen Reibungsparametern abzubilden. In dieser Näherung genügte das Modell der Praxis, interessierten doch vor allem extreme Lawinen, für die man die Reibungsparameter aus Daten von bekannten Ereignissen bestimmen konnte.
Es zeigte sich aber, dass diese Vereinfachung andere Lawineneigenschaften nicht erklären konnte, z. B. die Entstehung einer Staubwolke oder die Verteilung der Lawinenablagerung im Auslauf. Die Modellierung kleinerer Lawinenereignisse stellte immer noch ein Problem dar. Diese unbefriedigende Situation veranlasste die Lawinendynamik-Forschenden am SLF,
mit neuen theoretischen Überlegungen die Vibration explizit zu berücksichtigen, ohne allzu sehr vom bewährten Voellmy-Modell abzuweichen. In der Physik wird die Vibration mit der Fluktuationsenergie dargestellt. Mit Hilfe zahlreicher Experimente im Labor und auf der Lawinen-Gleitbahn am Weissfluhjoch gelang es ihnen, die Fluktuationsenergie in Lawinen mathematisch genau zu beschreiben. Lawinenschnee besteht aus Körnern, ist also ein granulares Material. Jedes Korn hat eine unterschiedliche Geschwindigkeit und durch die Kollision mit anderen Körnern auch eine unterschiedliche Bewegungsrichtung. Fluktuationsenergie entsteht, wenn ein Korn eine von der Fallrichtung abweichende Bewegung macht. Die Summe dieser abweichenden Bewegungen ergibt die Fluktuationsenergie der Lawinen. Zum Beispiel hat der Kopf der Lawine, wo die Staubwolke entsteht, eine hohe Fluktuationsenergie. Auf der Basis dieser Überlegungen stellten die Forschenden eine neue Energiebilanz auf, in der die Produktion und der Zerfall der Fluktuationsenergie explizit enthalten waren. Sie stellten fest, dass diese von der Bodenrauigkeit und den Schnee-Eigenschaften abhängen.
Die Auswirkungen dieser Erweiterung des Modells waren unerwartet. Nicht nur lassen sich damit Lawinen verschiedener Grösse simulieren, sondern es ist auch möglich zu bestimmen, ob bei einem Bruch der Schneedecke, diese sich einfach "setzt", sich nur eine kleine Lawine bildet, die bald stecken bleibt oder ob es zu einer grossen Lawine kommt. Der Hauptvorteil dieser neuen Energiebilanz ist, dass die mathematische Formulierung in Simulationsprogrammen wie RAMMS berücksichtigt werden kann und damit in Zukunft der Forschung und Praxis zur Verfügung steht.
Abb. 1: Die Fluktuationsenergie beeinflusst die Geschwindigkeit einer Lawine
Translation - French Pour dimensionner les constructions dans des zones menacées et pour élaborer des cartes de danger, la vitesse, la pression, l'épaisseur et les parcours des avalanches doivent être connus. Pour les déterminer, on utilise essentiellement un modèle développé par A. Voellmy après l'hiver avalancheux extrême de 1951 en Suisse et de 1955 en Autriche.
Le problème central de la dynamique des avalanches est, aujourd'hui comme hier, la formulation mathématique du frottement. Elle détermine la vitesse du phénomène et donc sa distance de parcours. Voellmy voyait la neige en mouvement comme un mélange de particules liquides et solides. Il était conscient que le frottement des composants solides était réduit par la « vibration ». Voellmy n'a pas pu prendre en compte explicitement cet effet dans sa représentation mathématique, c'est pourquoi il a essayé de le simuler à l'aide de différents paramètres de frottement. Cette approximation suffisait pour utiliser le modèle dans la pratique, mais il s'appliquait surtout aux avalanches extrêmes, dont les caractéristiques de frottement pouvaient être déterminées à partir des données d'évènements connus.
Mais on a pu constater que cette simplification ne permettait pas d'expliquer d'autres caractéristiques des avalanches, notamment la création d'un nuage de poudreuse ou la répartition des masses de neige dans la zone de dépôt. La modélisation de petites avalanches continuait de poser un problème. Cette situation peu satisfaisante a conduit les chercheurs en dynamique du SLF à prendre en compte la vibration par l'intermédiaire de nouvelles approches théoriques, sans trop s'écarter du modèle de Voellmy bien rôdé. En physique, la vibration est représentée par l'énergie de fluctuation. Grâce à de nombreuses expériences en laboratoire et sur le toboggan à avalanches du Weissfluhjoch, ils ont réussi à décrire l'énergie de fluctuation des avalanches avec précision dans leur modèle mathématique. La neige qui les constitue est un matériau granulaire. Chaque grain possède une vitesse différente, et la collision avec d'autres grains lui donne des directions très variées. L'énergie de fluctuation apparaît lorsqu'un grain effectue des mouvements qui s'écartent de la trajectoire de l'avalanche. La somme de ces déviations constitue l'énergie de fluctuation. La tête de l'avalanche par exemple, là où se crée le nuage de poudreuse, présente une énergie de fluctuation élevée. Ces réflexions ont amené les chercheurs à dresser un nouveau bilan énergétique, dans lequel la production et la destruction d'énergie de fluctuation sont déterminées explicitement. Ils ont constaté que ces processus dépendent de la rugosité du sol et des caractéristiques de la neige.
L'impact de cette extension du modèle s'est révélé surprenant. Non seulement, le système permet de simuler des avalanches de différentes tailles, mais il est également possible de déterminer si, au moment d'une rupture du manteau neigeux, celui-ci se contente de se tasser, s'il se crée seulement une petite coulée rapidement freinée, ou si une grosse avalanche est possible. L'avantage principal de ce nouveau bilan énergétique : la formulation mathématique peut être prise en compte dans des programmes de simulation comme RAMMS, et se mettre ainsi désormais au service de la recherche et de la pratique.
Photo 1 : L'énergie de fluctuation influence la vitesse d'une avalanche
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