Staublawinen
Einleitung Staublawinen ( Bild 1, unten ) sind in der Natur relativ seltene Erscheinungen, die meistens nach Grossschneefällen auftreten. Um so häufiger erscheinen diese Lawinen auf den Titelseiten von Büchern und Berichten, die sich mit der Lawinenforschung beschäftigen. Dies ist verständlich, sind Staublawinen doch weitaus die imposantesten Vertreter ihrer Gattung. Es soll aber nicht darüber hin-weggetäuscht werden, dass gerade Staublawinen auch die unbekanntesten aller Lawinen sind. Dafür gibt es einige Gründe: Staublawinen sind seltene Ereignisse, wenn sie aber einmal auftreten, geschieht dies vorzugsweise bei schlechtem Wetter oder in abgelegenen Gebieten. Die Erforschung dieses Typs von Lawinen ist zudem noch durch den Umstand erschwert, dass sich Staublawinen nicht gezielt erzeugen lassen; ob bei einem Lawinenabschuss tatsächlich eine Staublawine entsteht, ist immer etwas Glückssache, und der Erfolg ist nicht von vornherein gegeben ( Bild 2, S. 105 ). Eine Staublawine entwickelt sich nicht aus ruhendem Schnee, sondern sie entsteht immer aus einer andern Lawine, sei dies ein Schneebrett, eine Lockerschneelawine oder eine Eislawine. Dieser Entstehungsmecha-nismus ist noch weitgehend ungeklärt; es existieren nur wenige Arbeiten, die über eine rein qualitative Hypothese hinausgehen ( 6 ). Da die Staublawinen aus Fliesslawinen hervorgehen, gibt es natürlich alle möglichen Zwischenformen. Viele grosse Schneebretter entwickeln einen beträchtlichen Staubanteil, der ihnen das Aussehen einer Staublawine verleiht, sie aber trotzdem nicht zu solchen werden lässt, da der Anteil des fliessenden Materials immer noch viel grösser ist. Im folgenden soll unter ( Staublawine ) eine Suspension von Schneekörnern in der Luft verstanden werden, eine ist im Gegensatz dazu eine Granulatströmung. Die physikalische Modellierung dieser Extremalformen einer ganzen Familie geschieht auf unterschiedliche Weise, wie weiter unten angedeutet sein wird.
Die Einwirkung von Staublawinen auf zivilisatorische Einrichtungen und Kulturen ge- Eine Lawine, die vom EISLF ausgelöst wurde, um Geschwindigkeitsmessungen in Fliesslawinen vorzunehmen. Diese Lawine entwickelte ei- Eine Staublawine, die einen Gegenhang hochklettert.
schieht meistens im Talgrund oder in den untersten Teilen der Lawinenbahn, also am Ende der Sturzbahn und in der Auslaufzone. Gerade Staublawinen können noch grössere Distanzen in einer Ebene überwinden oder gegebenenfalls einen Gegenhang hochklettern ( Bild 3, S. 105 ). Es wird von Fällen berichtet, wo es am Gegenhang einer Lawinenflanke durch den Niedergang einer Staublawine noch zu Schadenwirkungen kam. Gerade für die Abschätzung der Auswirkungen von Staublawinen auf die von Menschen beanspruchten Gebiete und Einrichtungen ist die Erforschung der Auslaufeigenschaften von Staublawinen äusserst wichtig. Gefah-renzonenpläne müssen die gefährdeten Gebiete von den ungefährdeten trennen und müssen daher auf einer Kenntnis der Vorgänge in diesen Auslaufgebieten gründen. Diesem Zweck dient ein an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie ( VAW ) laufendes Projekt, das zur Hälfte vom Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung ( EISLF ) unterstützt wird. Im folgenden soll über diese Forschung berichtet werden.
Mathematische Modelle Um das Phänomen zu ergründen, werden zwei verschiedene Wege beschritten. Einerseits wird, von allgemeinen nen grossen Staubanteil und ist ein Beispiel dafür, dass sich Staublawinen nicht lassen, durchaus aber entstehen können.
mechanischen Prinzipien ausgehend, versucht, ein mathematisch-physikalisches Modell aufzustellen. Dieses gestattet, die Geschwindigkeiten der Luft und des Schnees sowie die lokalen Schneekonzentrationen in der Lawine zu bestimmen. Andererseits werden diese Grossen in Laborstaublawinen gemessen; davon aber später. Seit den fünfziger Jahren sind laufend theoretische Modelle entstanden ( 1, 3, 5, 9, eine Zusammenfassung dieser Arbeiten befindet sich in 7 ), die aber alle an der gleichen ( Krankheit ) leiden. Sie alle betrachten Staublawinen als sog. Einphasenströmungen, d.h. man entwirft einen einzigen Satz von Gleichungen, die das Gemisch aus Schnee und Luft als Ganzes beschreiben, die Lawine also als ein schweres Gas ansehen. Der Vorteil davon ist, dass die Rechnungen nicht allzu schwierig werden; das wird aber mit vielen Einschränkungen bezahlt, die mit den Beobachtungen nicht übereinstimmen. So erfassen die in diesen ( hydraulischen ) Modellen eingeführten Reibungsbeiwerte die Bodenreibung, die Turbulenz und den aerodynamischen Widerstand in summarischer Weise. Fliess- und Staublawinen werden also mit dem gleichen mathematischen Modell gerechnet, obwohl sie physikalisch unterschiedlich sind. Parameter müssen demnach von Fall zu Fall angepasst werden; die Modelle verlieren den allgemeingültigen Charakter. Die Folge ist eine ungenaue, grossen Streuungen unterworfene Vorhersage von interessierenden Grossen wie Auslaufdistan-zen usw. Desgleichen gestatten diese Modelle nicht, die Schneesetzungsverteilung im Auslaufbereich abzuschätzen oder den bekannten Windschlag zu modellieren.
Es bestand also genügend Grund, ein neues Modell zu entwerfen ( 6, 7, 8 ). Dieses besteht aus zwei Sätzen von Gleichungen, je einem für die Luft und einem für den Schnee. Hinzu kommen Aussagen über deren Wechselwirkung. Eine solche ist beispielsweise die Reibung des Schnees an der Luft. Eine zweite ist die Turbulenz, die das Mass der Verwirbelung des Schnees in der Lawine beschreibt. Die Dimension und die Strömungsart der Lawine werden von dieser Turbulenz beeinflusst. Bis jetzt gibt es ein solches Modell erst für die Sturzbahn, eine Ausweitung auf eine Knickzone und eine anschliessende Auslaufstrecke ist aber gege- ben und erfordert keine neuen Annahmen mehr. Von diesem Modell verspricht man sich eine qualitativ angemessene Berechnung praktisch wichtiger Grossen. Absetz-vorgänge können zwanglos eingefügt werden, und der Auslauf von Lawinen ist prinzipiell berechenbar. Zudem: Während bei den älteren Modellen die Gleichungen an die Lawinen anzupassen waren und die typischen Parameter von der Grösse der Lawine abhin-gen, bleiben Gleichungen bei diesem Modell unverändert. Mit einem Programm, das diese Gleichungen auf einem Computer realisiert, können also verschieden grosse Lawinen durch eine einfache Variation der Eingangs-parameter gerechnet werden. Natürlich erheischen solche Rechnungen einen beträchtlichen Computeraufwand, der weit grösser ist, als dies bei den einfacheren Theorien nötig war. Sie dienen aber der Bereitstellung von handlichen und einfachen Formeln, die der Praktiker gebrauchen kann.
Notwendigkeit der Überprüfung des theoretischen Konzeptes Fast jedes mathematische Modell, das einen physikalischen Aspekt beschreibt, enthält ( frei wählbare ) Parameter, die anhand von Messungen bestimmt werden müssen. Neben der Eichung eines Modells an sich schafft eine Überprüfung an Messdaten und Beobachtungen aber auch das unerlässliche Vertrauen, das einer Prognostizierung vorangestellt werden muss.
Feldmessungen aus Staublawinen befinden sich zwar auf der Wunschliste, aber nicht in den Datensammlungen der Lawinenforscher. Man möchte nämlich nicht nur die Frontgeschwindigkeit messen, sondern auch die Geschwindigkeits- und Dichteverteilun-gen des Schnees sowie die Geschwindigkeitsverteilung der Luft. Aus diesen lässt sich dann das Druckprofil ermitteln. Für Fliesslawinen werden vom EISLF hierfür Radar-Doppler-Methoden eingesetzt ( 2 ). Zu diesem Zweck wurde eine Pistenmaschine umgebaut und mit einer mobilen Radaranlage ausgerüstet. Diese kann in lawinenträchtigen Perioden in der Nähe einer Lawinenbahn positioniert werden. Nach der Auslösung der Lawine wird während des Niedergangs die Fliessgeschwindigkeit des Schnees innerhalb der Lawine aufgenommen. Eine Anwendung auf Staublawinen ist jedoch nicht ohne Eine Labor-Staublawine in der Sturzbahn der Versuchsanlage weiteres möglich, da fliessender und stiebender Schnee die Radarwellen unterschiedlich reflektiert. Einen andern Weg haben die norwegischen Lawinenforscher eingeschlagen ( 4 ). Sie haben in einem Lawinenzug in verschiedenen Höhen über Boden Druck-und Zugsensoren eingebaut. Damit erhalten sie Information über den Fliess- und den Staubanteil, sofern letzterer auch vorhanden ist. Der Nachteil dieser Anlage ist, dass pro Winter nur mit 4 bis 6 Lawinen zu rechnen ist und sich nur mit Glück unter diesen auch eine Staublawine befindet. Gerade wenn man darauf angewiesen ist, mit vielen Messungen ein theoretisches Modell auf seine Tauglichkeit hin zu prüfen, macht sich die Seltenheit von Staublawinen einschränkend bemerkbar.
Labor-Staublawinen Die Simulation von Staublawinen im Labor ist also ein zwangsläufiges Bedürfnis. Sie ermöglicht es, eine beliebige Anzahl von kon- trollierten, reproduzierbaren Modellawinen im Kleinmassstab ( ca. 1:1000 ) gefahrenlos zu erzeugen. Die Idee war, die Luft durch Wasser und den Schnee durch Plastikpartikel zu ersetzen ( Bilder 4, oben, und 5, S. 108 ). Viele Versuche mit einer grossen Anzahl von verschiedensten Pulvern waren nötig, bis das Polyesterpulver mit Dichte 1,25 gr/cm3 und Korngrösse zwischen 0,2 und 0,4 mm gefunden war, das den Modellschnee für unsere Labor-Staublawinen bildete. Ein entscheidendes Problem hierbei ist natürlich die Übertragbarkeit der Resultate vom handlichen Kleinmodell auf die Natur. Dies ist die Frage der Modellähnlichkeit. Rein theoretisch ist sie gegeben, falls bestimmte Grossen ( zum Beispiel das Verhältnis von Fliessgeschwindigkeit und Absetzgeschwindig-keit ) bei der Abbildung von der Natur auf das Modell invariant bleiben. Nun ist es aber so, dass sich in der Praxis nur ein Teil dieser von der Theorie verlangten Invarianten unverändert auf die Versuche in Modelldimensionen übertragen lässt. Man hat sich notgedrungen zu beschränken und bildet nur jene Invarianten unverändert im Modell ab, die den zu beschreibenden physikalischen Prozess dominant beeinflussen. Erfahrung, durch Tradition an der VAW seit mehr als 50 Jahren vorhanden, ist hierbei von grosser Hilfe.
Bild 5 ( S. 108 ) zeigt eine Darstellung der Versuchsanlage. In einem Wassertank ( 5 x 4 x 2 m ) mit Glasfront ist eine 3 m lange Schussrinne montiert, die zwischen 0 und 70 Grad beliebig neigbar ist. Im unteren Drittel der Rinne wurde eine Auslaufstrecke angebracht, die gegenüber der Rinne neigbar ist. Sie wird im weitern mit dem Terminus von der Rinne unterschieden. Im Übergangsgebiet von Rinne und Platte befindet sich eine Knickzone, wo die Bahn einem Kreissektor folgt. Diese Knickzone beginnt 1,5 m nach dem Anfang der Rinne und misst etwa 50 cm. Eine spezielle Apparatur, in Bild 5 mit bezeichnet, mischt Plastikpartikel und Wasser in einer bestimmten Konzentration und sorgt für einen konstanten Ausfluss dieses Gemisches in die Rinne. Dieses bildet eine im Wasser suspendierte Parti-kelwolke mit einem ausgeprägten Kopf und einem Lawinenkörper. Mit an der Rinne oder an der Platte befestigten Geräten werden Geschwindigkeits- und Dichteprofile des Partikelstromes in der Sturzbahn oder in der Auslaufzone festgehalten. Die Messungen in der Sturzbahn sind dabei eine unabdingbare Voraussetzung für die Messungen in der Auslaufzone, da nur so die Entwicklung der Lawine in der Knickzone und in der Auslaufzone quantitativ bewertet werden kann.
Um den Verlauf der Lawine entlang ihrer Bahn zu erfassen, sind, wie in Bild 6 ( S. 108 ) dargestellt, zwei Messpositionen in der Rinne und deren zwei auf der Platte definiert worden. Pos. 1 befindet sich 1 m vom Einlass entfernt, Pos. 2 liegt 50 cm weiter stromabwärts. Nach dem Knick schliesst die Position A an, am Ende der Auslaufstrecke, 1 m hinter der Position A, befindet sich schliesslich noch die Position B.
Gemessen wird mit einem scharf gebündelten Ultraschallstrahl ( US-Strahl ). Ein Transducer sendet kurze US-Impulse aus, die von den Partikeln reflektiert werden. Die Auswertung des Echos nach Frequenz und Amplitude führt direkt auf Geschwindigkeit und Dichte der Partikelphase. Diese Ultra-schalltechnik gehört heute zu den Standard-methoden, sie wird in vielen Anwendungen routinemässig eingesetzt.
Die scharfe Bündelung des US-Strahles ermöglicht es, mehrere solche Anordnungen neben- bzw. übereinander zu betreiben. Ein speziell dafür gebautes Messgerät kann bis zu vier solcher Einheiten aufnehmen und damit arbeiten. Neben der für jeden dieser Kanäle notwendigen Elektronik befindet sich auch ein kleiner, aber schneller Kleinstcom-puter in diesem Gerät. Damit lassen sich der Messablauf steuern, die Messwerte aufnehmen und eine erste Auswertung erstellen. Von vielen möglichen Messprozeduren wurden schliesslich deren zwei routinemässig angewandt: Profile und Zeitschnitte. Eine Profilmessung besteht aus einer Kette von Einzelmessungen, die senkrecht zum Boden übereinander angeordnet sind und die Verteilung von Partikelgeschwindigkeit und -dichte in der Höhe angeben können. Für die Aufnahme eines Profils werden die vier Transducer in verschiedenen Höhen fixiert und während der Messung durch einen Schrittmotor weiter nach oben geführt, bis die Höhe des ersten Transducers etwas unterhalb der Ausgangshöhe des zweiten liegt. Mit vier Höhenlagen pro Transducer ergeben sich so Profile aus 16 Einzelmessungen.
Im Gegensatz dazu wird ein Zeitschnitt mit festen Transducern aufgenommen. Bild 7 ( S. 110 ) stellt den Aufnahmevorgang schematisch dar. Der Abstand der Transducer wird vergrössert und umfasst nun die gesamte Lawinenhöhe. Während nun die Lawine an den Transducern vorbeifährt, werden in regelmässigen Zeitintervallen Messungen ausgelöst. So werden die Messwerte in einer Ebene angeordnet, die in der Längsachse der Lawinenbahn senkrecht zum Boden steht. Im Bild 7 zeigen die Punkte an, wo sich die schon aufgenommenen Messpunkte relativ zur Lawine befanden. Die Kreuze entsprechen den aktuellen Messpunkten. So wurde also mit der Messung begonnen, als die Lawinenfront etwas vor den Transducern lag, die nächste Messung erfasste dann gerade die Lawinenfront. Durch Versetzen der Transducer um einen halben Abstand kann die vertikale Auflösung verdoppelt werden, so dass sich in einem Zeitschnitt 8 Messungen auf der Höhen- und deren 16 auf der Zeitachse befinden. Diese Messwerte können schliesslich zu Intensitätsbildern verar- 8 Die Ablagerung im Knick nach dem Niedergang von drei Lawinen WDie Aufnahme eines Zeitschnitts, wie sie im Text beschrieben ist beitet werden, wobei entweder die Intensität der Geschwindigkeit oder der Partikelkonzentration zur Darstellung gelangt. Solche Bilder weisen zwar nicht die gute Höhenauf-lösung der Profile auf, durch die flächenmäs-sige Anordnung der Messwerte ergeben sie aber dennoch einen viel detaillierteren Einblick in die Geschehnisse innerhalb einer Staublawine. Zudem kann durch Variation des Zeitintervalls zwischen zwei Messungen der durch die Messungen erfasste Bereich verändert werden. Es ist ebenso möglich,eine ganze Lawine zu erfassen wie auch die Vorgänge in und vor der Lawinenfront mit hoher zeitlicher Auflösung aufzunehmen.
Einige Ergebnisse 1. Die Knickzone Schon in rein qualitativen Vorversuchen stellte sich die Knickzone als ein Gebiet hoher Wichtigkeit heraus. Am augenfälligsten ist die Entwicklung einer aussergewöhnlich hohen Ablagerung im Knick. Messungen der abgelagerten Volumina im Knick und in der Auslaufzone haben ergeben, dass im Knick durchschnittlich 70% der gesamten Lawinen- masse liegenbleibt. In der Auslaufstrecke liegen etwa 10%, der Rest fährt über die Auslaufstrecke hinaus, würde bei einer längeren Strecke also auch abgelagert. Bild 8 ( S. 110 ) zeigt eine solche Ablagerung nach 3 Lawinen. Natürlich hat die Bildung einer derart grossen Ablagerung Konsequenzen auf die Strömungsart und die weitere Entwicklung der Lawine. Diese müssen aus den Ge-schwindigkeits- und Dichtemessungen hervorgehen.
Im Bild 9 ( S. 112 ) ist die Entwicklung des Lawinenkörpers über die ganze Lawinenbahn bei einer Rinnenneigung von 35° sichtbar. In der oberen Hälfte sind die Geschwindigkeitsprofile aufgetragen, in der unteren Hälfte die entsprechenden Dichteprofile. Die drei möglichen Fortsetzungen entsprechen den verschiedenen Knickwinkeln. Wie nach den oben angeführten Beobachtungen erwartet, ist die Partikeldichte hinter dem Knick massiv reduziert. Diese Reduktion liegt bei allen Messungen etwa bei einem Faktor 4. In den Diagrammen ist die Partikeldichte in g/I angegeben, nach dem Knick sind also typischerweise etwa 3 Gramm Partikelmasse pro Liter Wasser anzutreffen. Diese Zahl kann in eine Volumenkonzentration umgerechnet werden, die ihrerseits dann in die Natur übertragen werden darf. So ergeben sich bei den natürlichen Staublawinen Konzentrationen von 10-2 in der Sturzbahn und 2,5 x 10-3 nach dem Knick. Da die Materialdichte des Schnees knapp 1000 mal grösser ist als diejenige der Luft, sind bei einer Konzentration von 10-3 die Druckwirkungen von Luft und Schneekörnern etwa gleich gross. Wo in einer Staublawine die Partikelkonzentration wesentlich unter 10-3 sinkt, kann also durchaus von einem starken Sturm gesprochen werden. Wir werden bei den Energiebetrach-tungen weiter unten nochmals auf dieses Thema zurückkommen.
Auch die Geschwindigkeitsprofile im Bild 9 werden durch den Knick beeinflusst, vor allem sind eine Reduktion der Maximalgeschwindigkeit, leicht vom Knickwinkel abhängig, sowie eine Formänderung der Profile zu erkennen. Die Analyse aller Geschwindigkeitsmessungen ergibt, dass die Maximalgeschwindigkeit etwa auf 60% reduziert wird, wobei diese Reduktion vom Knickwinkel abhängt. Falls nicht nur die Maximalgeschwindigkeiten, sondern die Summe aller gemessenen Geschwindigkeiten innerhalb eines Profils verglichen werden, ist die Reduktion erstens geringer und zeigt zweitens keine signifikante Abhängigkeit vom Knickwinkel. Das deutet darauf hin, dass im Knick die Geschwindigkeiten mehr umverteilt als abgebremst werden.
2. Die Auslaufzone In der Auslaufzone konzentriert sich der Hauptanteil der Messungen; im Gegensatz zur Sturzbahn liegen hier Messungen aller Typen vor: Körperprofile, Kopfprofile und Zeitschnitte. Die Sichtung all dieser Daten lässt einige Effekte hervortreten, welche nachfolgend beschrieben werden.
Die Reduktion der Geschwindigkeit in den bodennahen Schichten Fast alle Geschwindigkeitsmessungen, seien es Profile oder Zeitschnitte, zeigen bezüglich der Positionen A und B ein ähnliches Bild: Die Geschwindigkeiten ändern sich massiv in Bodennähe, kaum aber in den höheren Lagen einer Lawine. Am Boden ist mancherorts eine Reduktion um einen Faktor 4 anzutreffen, so beispielsweise im Bild 9 rechts oben oder im Bild 10 ( S. 113 ). Als Ursache bieten sich zwei Möglichkeiten an: Die eine wäre ein Einfluss der Bodenreibung ( in der Sturzbahn ist diese vernachlässigbar ) oder eine Art des Knicks. Eine genauere diesbezügliche Abklärung erfordert weitere Messungen, wo die Prozesse hinter dem momentanen Ende der Auslaufstrecke erfasst werden können. Dabei müsste sich im ersten Fall der Effekt nach hinten weiterhin verstärken, im zweiten Fall würde er abnehmen. Zudem müsste eine Abhängigkeit vom Knickwinkel erwartet werden.
Die Struktur von Lawinenkörper und Lawinenkopf Die wesentlichen Unterschiede in der Verteilung von Geschwindigkeit und Partikeldichte innerhalb der Lawine können anhand der Zeitschnitte erkannt werden. Exempla-risch seien hier die Werte für aal-pha35°,betta55° betrachtet. Bild 10 zeigt die in Position A aufgenommenen Daten, Bild 11 ( S. 115 ) die entsprechenden aus der Position B.
In allen Zeitschnitten ist die Abszisse die Zeitachse, die Ordinate die Höhenachse senkrecht zum Boden der Lawinenbahn. Die Geschwindigkeit 10 20 10 20 20 0 24 - 10 h in cm \ 20 1812 - 6 - ovin cm/ » 10 20 Dichte 24 - 18 -12 - 8 - 0 5 10 15 24 -18 - 12 -6 -0 24 - hi » em 18 - 12 -6l din n24 - hm cm 18 - 12 -6 - 0 1 1 1 "
0 5 10 15 0 5 10 15 0 5 10 15 h in cm 24 -18 -12 - 6 - 0 5 10 15 c 10 20 24 - hin cm ( 18126 - o -
7
vin cm* 9 Körperprofiie der Geschwindigkeit ( oben ) und der Dichte ( unten ) bei einer Rinnenneigung von 35°. Die Profile stammen ( von links nach rechts ) aus den Positionen 1, 2, A und B. Die drei Möglichkeiten rechts entsprechen den verschiedenen Knickwinkeln: oben 35°, dann 45° und unten 55°.
010 20 hin om 24 - 18 - 12 - 6 - vu cm/ » 10 20 din 24 - hin cm 18 - 12 -6 - 0 I I \ m 5 10 15 24 - 18 - 12 - 6 - din V a 5 10 15 24 - in cm 18 - 12 - 6 - din 0 "
5 10 15 zu betrachtende Grösse ist als Farbe codiert, am Farbbalken rechts kann die Codierung abgelesen werden. So entspricht beispielsweise eine grüne Fläche im Geschwindig-keits-Zeitschnitt ( oben ) einer Geschwindigkeit von etwa 9 cm/s, im Dichte-Zeitschnitt ( unten ) einer Partikeldichte von etwa 5,5 g/l. Selbstverständlich dürfen die Zeitschnitte nicht einfach als Längsschnitte angesehen werden, sie könnten aber in solche umgerechnet werden, da das Geschwindigkeitsfeld bekannt ist.
Das Geschwindigkeitsfeld zeigt in beiden Fällen eine grossflächige Struktur, die Werte bleiben über längere Zeit konstant. Die maximalen Geschwindigkeitswerte treten in mittleren Höhen auf, der Kopf hebt sich durch die grösseren Geschwindigkeiten in den höheren Lagen deutlich vom Körper ab. Das Dichtefeld zeigt demgegenüber ausgeprägte Dichtezentren im Lawinenkopf, meistens deren vier, sowie ein weiteres am Übergang von Lawinenkopf und Lawinenkörper in Bodennähe. Diese Zentren treten bei allen Zeitschnitten etwa am gleichen Ort auf, sie dürften somit für diese Staublawinen charakteristisch sein. Zwischen den Zentren ist die Partikeldichte relativ klein, sie beträgt etwa 25% der maximalen Dichte. Schon aus dieser Betrachtung lassen sich Schlüsse über die zu erwartende Qualität der Profilmessungen ziehen. Während das Geschwindigkeitsfeld quasistationäres Verhalten zeigt, ist dies beim Dichtefeld höchstens im Lawinenkörper der Fall. Ob aber ein Kopfprofil gerade ein Dichtezentrum tangiert oder nicht, ist wegen der manuellen Auslösung einer Messung in hohem Masse vom Zufall abhängig.
Der Vergleich mit den Zeitschnitten aus der Position B zeigt im Geschwindigkeitsfeld die schon besprochene Reduktion in der Nähe des Bodens. In den höheren Lagen hat sich nicht viel geändert. Das Dichtefeld hat seine Struktur ebenfalls weitgehend erhalten, die Dichtezentren sind in ihrer Ausdehnung, nicht aber in ihrer Stärke geschrumpft. Andere, hier nicht aufgeführte Zeitschnitte zeigen, dass die Dichte im Lawinenkörper durchwegs gering ist und dass keine lokalen Zentren mehr auftreten.
Der Vorläufer und die Reduktion der Geschwindigkeit in dichten Gebieten Eine wichtige und auch auffällige Beobachtung blieb bis jetzt unerwähnt und sei hier nachgeholt. Dazu dienen die Frontal-Zeitschnitte, unter den gleichen Bedingungen wie oben aufgenommen. Bild 12 ( S. 116 ) zeigt also die Verteilungen in Position A, Bild 13 ( S. 117 ) in Position B. Die Zeitskala ist geändert, ein Vergleich von Bild 10 mit 12 zeigt, dass letzteres nur gerade etwa die Hälfte des Lawinenkopfes zur Darstellung bringt. Allerdings darf natürlich erwartet werden, dass dadurch Details in Erscheinung treten, die in Bild 10 einfach weggemittelt werden. Das Auffälligste in den Bildern 12 und 13 ist die Diskrepanz in der Begrenzung von Geschwindigkeits- und Dichtefeld. Zweifellos stellt die Begrenzung des Dichtefeldes den sichtbaren Rand der Lawine dar. Alle Teile des Geschwindigkeitsfeldes, die sich ausserhalb davon befinden, sind offenbar reine Wasserbewegungen - messbar gemacht durch kleine, im Wasser schwebende Verunreinigungen. Hier findet sich also eine Entsprechung für den unter Lawinenfor-schern wohlbekannten Windschlag einer Staublawine. Die Form dieses Vorläufers mag erstaunen, sie ist eine Wirkung des unmittelbar vor dieser Messposition liegenden Knicks.
Das Dichtefeld zeigt auch in der hohen Auflösung isolierte Dichtemaxima, die in Gruppen auftreten. Ein Dichtemaximum in den Kopf-Körper-Zeitschnitten kann also ohne weiteres eine Ansammlung von mehreren nahe beieinanderliegenden Dichtezentren sein. Im Vergleich von Bild 11 und 12 zeigt sich eine interessante Veränderung: In Position A fallen die Maxima von Geschwindigkeit und Dichte zusammen, in Position B aber korrelieren die Dichtemaxima mit den relativen Minima des Geschwindigkeitsfeldes. Das heisst, nennenswerte Bremsungen in gewisser Entfernung vom Boden sind an hohe Partikelkonzentrationen gebunden. Da die Auslaufstrecke in dieser Konfiguration 20° aufwärts geneigt ist, wirkt die Gravitation der Hauptströmungsrichtung entgegen. In den dichten Gebieten ist nun offensichtlich die Kopplung der Partikel durch die Impulsübertragung noch aktiv, so dass grössere Schneemassen abgebremst werden können, während die Partikel in den andern Teilen der Lawine einfach vom Fluid mitgerissen werden. Für die Modellierung der Impulsübertragung dürften diese Gebiete von hohem Interesse sein. Durch diesen Vorgang wird der Vorläufer, dessen Geschwindigkeit nahezu unverändert ist, von der eigentlichen Lawine abgetrennt.
Der Druck und die Gefahrenzonenplanung Die für die Gefahrenzonenplanung wichtigste physikalische Grösse ist der Druck, genauer der Staudruck einer Lawine. Wenn dessen Verteilung bekannt ist, können Scha-denabschätzungen durchgeführt werden. Bei einer Staublawine kann der Staudruck aus dem Geschwindigkeits- und Dichtefeld berechnet werden. Allerdings muss dabei angenommen werden, dass die Relativge-schwindigkeit der beiden Phasen klein ist, da vorderhand nur Informationen über die Partikelphase vorliegen. Die Berechnungsformel lautet:
2(12 Dabei sind r,, rs die Materialdichten von Luft ( 1 kg/m3 ) bzw. Eis ( 917 kg/m3 ), c die Volumenkonzentration des Schnees und v die Geschwindigkeit.
Damit kann zuerst einmal die oben erfolgte Aussage bezüglich der Partikeldichte verifiziert werden. Bei Partikelkonzentrationen von weniger als 10~3 liefert der erste Term rechterhand den grösseren Anteil, sonst ist es der zweite. Die vom EISLF1 herausgegebenen Richtlinien zur Gefahrenzonenplanung setzen einen Grenzwert von 1,5 kPa für den Übergang von der ( absolut gefährlichen ) roten Zone zur ( moderat gefährlichen ) blauen Zone. Eine Lawine ist dann als harmlos zu bezeichnen, wenn der Staudruck unterhalb 0,5 kPa liegt, entsprechend der weissen Zone. Um diese Zahlen zu veranschaulichen, kann der letzte grosse Orkan von Ende Februar 90 als Vergleich herangezogen werden, wo in den Böenspitzen ein Staudruck von etwa 2 kPa entstand.
Aus den Geschwindigkeits- und Dichte-zeitschnitten können nun Staudruck-Zeit-schnitte berechnet werden. Gleichzeitig können diese Zeitschnitte anhand der Ähnlich-keitsgesetze in die Natur umgerechnet werden und ergeben so Anhaltspunkte über die in Staublawinen existierenden Drücke. Zwei dieser Druckbilder sind in Bild 14 ( S. 119 ) dargestellt. Das obere Bild entstand aus den Daten von Bild 10, das untere aus denjenigen von Bild 11. In Position A ist neben dem deutlichen Druckzentrum im Lawinenkopf auch ein weiteres in Bodennähe beobachtbar. Allerdings sind hier auch die Drücke ausserhalb der Druckzentren grösser als die ( kritischen ) 1,5 kPa, die Lawine wäre also als gefährlich zu taxieren. In Position B sind die hohen Druckwerte am Boden erwartungsgemäss verschwunden, in den höheren Lagen aber durchaus noch vorhanden. Es stellt sich die Frage, wie ein solches Gebiet nun einzuordnen ist. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, bei Staublawinen die Druckforde-rung mit einer Höhenangabe zu verbinden. Beispielsweise könnte die Grenze zwischen rotem und blauem Gebiet dort verlaufen, wo unterhalb 40 m keine Drücke vorkommen, die 1,5 kPa übersteigen. Nur so kann eine klare Definition der Gefahrenzonen bei Staublawinen gegeben werden.
Die Definition der Auslaufstrecke Die Bilder der Position B lassen vermuten, dass die Definition einer Auslaufstrecke von Staublawinen nach wie vor Schwierigkeiten bereitet. Es ist offensichtlich, dass die in der experimentellen Anordnung eingebaute Auslaufstrecke nicht genügend lang ist, um das ganze Auslaufen der Staublawine zu beobachten und zu messen. Allerdings lässt sich mindestens die Dichteabnahme einigermassen extrapolieren; zudem lassen sich die verschiedenen Abhängigkeiten abschätzen, so dass doch Hinweise gegeben werden können. Aus der gemessenen Tatsache, dass die Dichte ausserhalb der bodennahen Grenzschicht wesentlich schneller abnimmt als die Geschwindigkeit, kann vermutet werden, dass die Druckwirkung vor allem durch die Dichtereduktion abnimmt. Bei konstanter Reduktion der Dichte und ebener Auslaufstrecke erhält man im Experiment eine Distanz von ca. 10 m, bis der umgerechnete Staudruck unter die vom EISLF geforderte Grenze von 0,5 kPa ( entsprechend der weissen Zone ) abgesunken ist. Die Abhängigkeit der Dichte ist weder von der Rinnenneigung noch vom Knickwinkel signifikant abhängig, sicher aber vom Anfangsvolumen. Die Geschwindigkeit hängt vor allem von der Rinnenneigung und weniger vom Knickwinkel ab, so dass nach dem heutigen Kenntnisstand vor allem Rinnenneigung und Anfangsvolumen der Lawine die Länge der Auslaufstrecke bestimmen, dem Knick als solchem aber eine grosse Bedeutung beigemessen 1 In den Richtlinien des eislf wird der Druck ohne den Vorfaktor berechnet; somit müssen bei der Anwendung der Richtlinien alle Drücke mit einem Faktor 2 multipliziert werden.
werden muss, da dort die Dynamik der Staublawine durch die massive Ablagerung entscheidend umgestaltet wird.
Ausblick Mit der vorliegenden Versuchsanlage hat die Lawinenforschung ein leistungsfähiges Instrument zur Erzeugung und phänomeno-logischen Untersuchung von Staublawinen erhalten. Natürlich bleiben auch hier noch Wünsche offen, der wichtigste davon ist die Messung der Wassergeschwindigkeit, ein entscheidender Parameter zur Bestimmung der Impulsübertragung zwischen den beiden Phasen. Damit ist eine Hauptstossrichtung zukünftiger Anstrengungen gegeben, eine weitere wird in der Entwicklung und Erweiterung von Programmen liegen, welche das mathematisch-physikalische Modell imple-mentieren unf für Auslaufstrecken erweitern. Bis jetzt liegen nur zeitunabhängige Rechnungen aus dem Lawinenkörper innerhalb der Sturzbahn vor, so dass hier noch ein weites Forschungsfeld offen ist. Durch dieses Forschungsprogramm werden die Staublawinen zwar nicht ungefährlicher und auch nicht prognostizierbarer, aber durch das Verständnis ihrer Physik wird die Grundlage zur Gestaltung von effektvollen und unaufdringlichen Schutzmassnahmen gegeben.
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S
Inhalt 122 Stéphane Schaffter, Plan-les-Ouates Langlauf ohne Grenzen 134 Regula Müller, Zürich Unbekanntes Kolumbien - die Sierra Nevada de Cocuy 143 Erich Vanis, Wien ( A ) La montana mas bella del mundo 150 Claude und Yves Remy, Vers l' Eglise ( VD ) Klettern im Paklenica-Gebiet ( Jugoslawien ) 158 Heinz Högger, Thun Badile - Kante ohne Ende 164 Willi Schmid, Zürich Rückblick auf Abenteuer im Montblanc-Gebiet Herausgeber Redaktion Schweizer Alpen-Club, Zentralkomitee; Helvetiaplatz 4, 3005 Bern, Telefon 031/433611, Telefax 031/446063.
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Erscheinungsweise Monatsbulletin in der zweiten Monatshälfte, Quartalsheft in der zweiten Hälfte des letzten Quartalsmonats.
Umschlagbild:
Die Alpamayo-SW-Wand im abendlichen Farbenspiel Photo: Erich Vanis, A-Wien 121 176 Giovanni Kappenberger, Cavigliano ( TI ) Riesenreifkristalle: Anzeichen des zunehmenden Treibhauseffektes?
Preis Abonnementspreise ( Nichtmitglieder ) für Monatsbulletin und Quartalsheft zusammen ( separates Abonnement nicht möglich ): Schweiz, jährlich Fr. 42., Ausland, jährlich Fr. 58..
Quartalsheft einzeln für SAC-Mitglieder Fr. 7., für Nichtmitglieder Fr. 10.; Monatsbulletin Fr. 2..
Allgemeine Angaben Adressänderungen: auf PTT-Formular 257.04. ( Mitglieder-Nr. beifügen !) Inhalt: Die Beiträge geben die Meinung des Verfassers wieder. Diese muss nicht unbedingt mit derjenigen des SAC übereinstimmen.
Nachdruck: Alle Rechte vorbehalten. Nachdruck nur mit Quellenangabe und Genehmigung der Redaktion gestattet.
Zugeschickte Beiträge: Beiträge jeder Art und Bildmaterial werden gerne entgegengenommen, doch wird jede Haftung abgelehnt. Die Redaktion entscheidet über die Annahme, die Ablehnung, den Zeitpunkt und die Art und Weise der Veröffentlichung.
Beglaubigte Auflage: 71 176 Exemplare.
