Как снежинка превращается в лавину: познакомьтесь с инженерами подземной лаборатории

Любопытное явление произошло не так давно, обычным днем в Йеллоустонском клубе в Монтане. Никакие сильные снегопады или порочные ветры обычно не мешали снегоуборщикам выполнять полевые работы. Но в этот раз один из работников решил покататься на лыжах поблизости. И тут случилось нечто странное…

Как только команда собралась уходить, люди заметили движение снега – начала сходить лавина. Примечательным было то, что это вообще произошло. Склон, по которому спускался мужчина на лыжах, имел пологий уклон в 22 градуса. По данным Швейцарского федерального института исследований снега и лавин, одного из крупнейших исследовательских институтов в своем роде, спуск с уклоном менее 30 градусов считается безопасным.

Данное эмпирическое правило – только одна из многих качественных характеристик движения лавины. Ранее прогнозирование схождения снежных масс основывалось на субъективных интерпретациях полевых инженеров или лыжников, однако новые научные подходы обещают резко повысить точность такого прогноза.

Фильм, посвященный изучению лавин

Режиссер Эбби Кент снял фильм, посвященный истории двух ученых, которые работали в этой области. Картина называется «Лавинные инженеры». По сюжету, Дэвид Уолтерс и Тони Лебарон работают в двух совершенно разных лабораториях: на склонах американских Скалистых гор, где инструментами являются лыжные и измерительные палки, и в «отрицательной лаборатории» университета штата Монтана, где инструментами являются датчики давления и трехмерные томографы. Эта документальная картина позволяет понять, насколько глубокой и интересной может быть «лавинная» наука.

Из чего состоит лавина?

В первую очередь, стоит отметить структуру снежного покрова. Лавина сходит при наличии слабого слоя или участка. В те ясные морозные дни, когда все любят кататься на лыжах, солнечная коротковолновая энергия способна проникать вглубь снежного покрова и прогревать его на пару сантиметров. Одновременно производится охлаждающий эффект прямо на поверхности снега под воздействием холодного воздуха. Представьте, что поверхность снежного покрова охлаждается, но чуть ниже снег начинает подтаивать. Таким образом, возникает разница в температуре.

Природа постоянно пытается выровнять перепады температур, при этом движение тепла внутри снежного покрова к холодной поверхности медленное, но непрерывное. Оно забирает водяной пар из кристаллов. Водяной пар течет, пока не достигнет холодной точки, а затем конденсируется в виде льда, превращаясь в новую снежинку. После того, как снежный покров оседает, формируется огромная по своей площади, на первый взгляд нерушимая плита.

Что вызывает схождение снежных масс?

Итак, в пределах 2-сантиметровой зоны кристаллы способны перемещаться. Важно понять, что для сдвига снежной плиты не нужны механические движения или воздействие силы. Достаточно движения пара, возникающего в результате перепада температур. Именно этот процесс способствует ослаблению микроструктуры снега. Затем слабый слой в конечном итоге покрывается более сильным и крепким слоем, который становится той самой мощной плитой.

Таким образом, к схождению предрасположены только те снежные массы, которые образуют огромный сплоченный слой снега, охватывающий большую часть поверхности, но при этом опирается на слабый фундамент. Это примерно то же самое, если строить дом на основе из картофельных чипсов.

Начало исследования

Фактически вся работа проводится на природе, в естественных условиях. В Америке действует пара полевых станций возле Биг Скай, штат Монтана, в одной из частных лыжных зон. Сотрудники клуба достаточно любезны, позволяя инженерам выходить на улицу и собирать заметки об изменения в структуре снежного покрова. Как только ученым удается сделать прогноз о днях, когда произойдет перепад температур и кристаллизация слабых слоев, они приступают к практическим работам в лабораторных условиях.

Эксперименты

Перед инженерами лавинной науки стоит задача воссоздать условия, идентичные наружным. Ученые имеют возможность контролировать поступление солнечного света в лабораторию с помощью металлогалогенной лампы, создавать давление, аналогичное атмосферному, и поддерживать соответствующую температуру воздуха. Затем образец снега помещается под лампу и «отогревается» в течение целого дня. За это время инженеры успевают проанализировать микроструктуру снега в микро-КТ-сканере, который дает трехмерное изображение. После того как лампа гаснет и снежный покров оседает, ученые имитируют сильное обветривание для формирования плиты.

Лавина в лабораторных условиях

Чтобы смоделировать схождение снега, ученые встраивают металлический каркас в верхний слой, чтобы было на что нажимать, и изолируют колонну, чтобы точно рассчитать количество снега. Затем совершается легкий толчок массы, который показывает эффективность механических свойств всех слоев.

Почему важна связь между кристаллами снега?

Если у нас есть две снежинки диаметром в полмиллиметра каждая, с помощью микроскопа абсолютно несложно разглядеть участок, соединяющий их вместе. Его размер составляет около четверти миллиметра в диаметре и служит своего рода связующим мостом. Если таких слитых снежинок будет много, мы увидим один цельный и непрерывный кусок льда. Однако для лавинной науки важен отдельный нюанс.

Так, закругленные зерна снега имеют тенденцию образовывать сплоченный снежный покров и обычно участвуют в формировании плит. Ориентация связей здесь случайна. Если же просмотреть ограненные слои снега, связи могут начать выстраиваться по определенной схеме. Ученые предполагают, что связи между отдельными частицами снега сформировались случайным образом.

Распространить трещину по снежной поверхности невозможно, так как в ее микроструктуре отсутствует четкий и очевидный путь. Тем не менее, в слабом, ограненном слое снега для полного разрушения покрова потребуются минимальные затраты энергии. Когда снег легче разрушить, лавины с большей вероятностью происходят даже при воздействии слабых спусковых механизмов.

Значение и роль «снежной» науки

Если ученым удастся научиться определять механические свойства снега на конкретном участке для понимания того, насколько слабее или насколько сильнее он стал в сравнении со своим исходным состоянием, секрет успешного прогнозирования схождения лавин будет раскрыт.

Параллельно с исследованиями, ученые работает над созданием устройства, которое смогло бы использовать цифровую карту местности (типа Google Earth) и учитывать погодные условия для моделирования снежного покрова. Создав конкретную модель, инженеры будут готовы отслеживать движение Солнца, его степень влияния на определенные склоны, измерять уровень температуры как на поверхности снежного покрова, так и в более глубоких слоях. Такой прибор сможет отображать места с критическими температурами, которые образуют слабые слои.

Таким образом, перед учеными стоит задача выявления слабых снежных слоев на конкретной горной местности. Причем важно не просто угадать, насколько они слабые, но и определить вероятность схождения лавины. Да, возможно, достичь поставленных целей удастся не скоро, допустим, лет через 50 или даже 100, но все же у представителей современной научной мысли есть все шансы сделать это. Кто знает, может быть совсем скоро ученые смогут сказать: «Помните тот слабый слой, который едва сформировался неделю назад? Он вот-вот сойдет, нужно срочно предупредить отдыхающих и не пускать туда лыжников».