Новый эксперимент в Великобритании был поставлен для имитации ледяных лавин, опасности, которые могут стать следствием распада ледника или извержение льда с шапки вулкана. Несмотря на очевидный риск, который эти события представляют для живущих по соседству людей и сообществ, они являют собой все еще относительно мало исследованные геологические явления. Первые результаты эксперимента показывают, как таяние на поверхности отдельных частиц льда помогает объяснить, почему эти потоки могут соскальзывать так плавно вниз по склону. В конечном счете, исследование может привести к созданию более точных систем для прогнозирования возникновения и характеристик ледяных лавин в регионах мира подверженых такой опасности.
Современные модели техники ледохода, как правило, основаны на данных, собранных в конкретных географических регионах, где подход ориентирован на создание модели, которая соответствует полевым измерениям. В Европе, например, много исследований, был проведено в альпийских районах, особенно в Швейцарии, Франции и Норвегии. Эти модели обеспечивают градостроителей и местные органы власти в этих регионах такой информацией, как интенсивность и скорость движения льда в районах, подверженных лавинам.
Но ограниченность этого подхода заключается в том, что модели не обязательно применимы к другим частям мира, где защита от лавин часто менее развита. «Текущая потребность в Европе в том, чтобы помочь предсказать эти типы лавин в массиве карпатских гор, пересекающих всю Восточную Европу, но данные, имеющиеся в этих регионах, очень ограничены», говорит Барбара Тернбулл (Barbara Turnbull), исследователь из Университета Ноттингема в Великобритании. «Кроме того, аспекты физических причин этих очень сложных потоков не понятны, что приводит в некоторых случаях к такому поведению потока, которое не может быть объяснено традиционными теориями».
Лавина в барабане
Тернбулл стремится развивать более обобщенный подход к изучению ледяного потока в лавинах. Она разработала эксперимент, чтобы изучить поведение текущих частиц льда в контролируемых условиях лаборатории в Кембриджском университете в Великобритании. Установка состоит из вращающегося барабана, заполненного ледяными шариками, которые она снимает, используя высокоскоростное видео для того, чтобы изучить взаимодействие между отдельными частичками льда.
В серии тестов, ледяные шарики диаметром около 5 мм были созданы из капель воды медленно капающих в ванну с жидким азотом. Эти сферы были затем загружены в барабан Perspex, который имеет диаметр 350 мм и ширину 20 мм, а сам барабан вращается со скоростью один оборот за 3,75 сек. В течение 45 мин, производили видеосъемку барабана через каждые 2 мин при скорости 250-500 кадров в секунду. Тернбулл затем повторила эксперимент при температуре -4°С, -2°C, -1°C и 0°C.
На всех четырех температурах, Тернбулл обнаружила, что таяние на границе частиц значительно увеличило общую скорость течния массы льда, и этот процесс в дальнейшем вел к еще большему плавлению и более быстрому течению. Излагая свои выводы в журнале Physical Review Letters, Тернбулл считает, что система обратной связи, создаваемая этими поверхностными взаимодействиями может частично объяснить те большие расстояния и скорости, которых лед может достигать в лавинах.
(В первоисточнике этого материала здесь приведен видеоролик как эти ледяные шарики перетекают в барабане, смотрите:
«Эта работа позволит развить новый тип лавинной модели, основанной на ключевых физических процессах», сказала Тернбулл для physicsworld.com. «Большинство людей сосредоточено на разработке модели, которая работает - модели, которая может быть проверена в полевых измерениях», говорит она. Тернбулл считает, что ее подход является более фундаментальным, и по этой причине он может привести к более обобщенному пониманию ледяной лавины, которые не привязаны к конкретным областям мира.
Значение эксперимента
Демьян Шнайдер (Demian Schneider), исследователь ледниковых опасностей из Университета в Цюрихе, в Швейцарии, находится под впечатлением от экспериментального подхода Тернбулл. «Основой предотвращения будущих катастрофических лавин,- это с одной стороны практические знания, включая эмпирические данные. А с другой стороны, высокий уровень понимания физических процессов, который может быть достигнут экспериментальным путем».
Шнайдер замечает, однако, что контролируемый экспериментальный подход, Тернбулл имеет как свои плюсы, так и минусы по сравнению с полевыми исследованиями. Одно из преимуществ он видит в том, что лавинная лаборатория Тернбулл является эффективно бесконечной,- она обеспечивает исследователя временем для изучения изменений в поведении потока, включая таяние льда и изменения в размере зерен, как фрагментов частиц. С другой стороны, однако, Шнайдер говорит, что барабан очень сильно отличается от реального мира лавины, не в последнюю очередь потому, что лед течет по совершенно изогнутому руслу, которое и не существует в природе заранее.
В краткосрочной перспективе, Тернбулл намерена провести дальнейшие испытания в Кембриджской лаборатории. Но в течение последующих пяти лет она надеется начать калибровку своих выводов в отношении полевых измерений, путем развития сети станций наблюдения в районах, подверженных ледяным лавинам, в том числе Кавказа, Швейцарии, Норвегии и Канады.
Тернбулл признается, что с глобальной точки зрения текущие риски, связанные с лавинами является низкими по сравнению с другими геофизическими потоками, такие, как извержения вулканов. Но она считает, что степень риска меняется быстро, когда климатические изменяются и некоторые участки могут особенно пострадать. «обледенелые вулканы недалеко от жилья, такие как гора Ренье [США] и Котопакси [Эквадор] и более низко-широтные области вечной мерзлоты являются ключевыми местами уязвимости», говорит она.
Развивающаяся опасность
Увеличение риска, связанного с лавинами также предсказано Стефаном Хермингхаузом (Stephan Herminghaus), исследователем сложных потоков из Института Макса Планка, отделение динамики и самоорганизации в Германии. «Я думаю, что это достаточно ясно из отчетов МГЭИК [Межправительственной группы экспертов по изменению климата], что есть много мест на Земле, которые будут подвергаться возрастающей опасности лавин», говорит он. Хермингхаус предсказывает, что все горные районы, где почвы и скалы частично стабилизировалась в условиях вечной мерзлоты могут вскоре измениться.
Христиан Хагель (Christian Huggel), научный сотрудник Университета в Цюрихе, который специализируется на высокогорных и ледниковых опасностях, идет дальше и предполагает, что некоторые регионы уже испытывают повышенный риск. «У нас есть достаточно надежные данные о росте в высокогорных областях падения камней и лавин в Европейских Альпах за последние десятилетия», говорит он. Хагель подчеркивает, однако, что еще не ясно, можем ли мы говорить, что мы переживаем глобальный рост.
В дополнение к экологическим приложениям, новое исследование может также привести к более глубокому пониманию движения льда в других областях науки. Тернбулл предполагает, что астрономы могли бы использовать опыт для создания более подробных историй фрагментов извлекаемых из комет, которые по существу являются смесью льда и камней. Она говорит, что это также может быть полезно промышленности, например, поможет повысить эффективность работы производственных линий, где транспортируются замороженные продукты.
Об авторе
Джеймс Дэйси (
James Dacey
), корреспондент
physicsworld.com
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
