Een uniek project is het koppelen van in-situ metingen aan onderzoek naar natuurlijke gevaren. De afgelopen tien jaar, een netwerk van draadloze sensoren op de Hörnli-rug van de Matterhorn heeft voortdurend meetgegevens gestreamd over de toestand van steile rotswanden, permafrost en het overheersende klimaat. De projectleider, Jan Beutel, beoordeelt de voortgang tot nu toe.

De zomerhittegolf van 2003 veroorzaakte een steenslag die zowel onderzoekers als het grote publiek schokte:1, 500 kubieke meter rots brak los van de Hörnli-rug - een volume dat ongeveer gelijk staat aan twee huizen. De breukgebeurtenis legde kaal ijs bloot op het oppervlak van de steile helling. Deskundigen realiseerden zich al snel dat de recordtemperaturen de rots tot zo'n diepte hadden opgewarmd dat het ijs in de poriën en scheuren was gesmolten. Dit veroorzaakte in feite een plotselinge vermindering van de binding die de rotsmassa bij elkaar hield.

De onvoorziene rockfall was de aanleiding voor het opzetten van PermaSense, een uniek projectconsortium dat experts uit verschillende technische en milieuonderzoeksdisciplines van ETH Zürich en verschillende andere instellingen samenbrengt, waaronder de universiteiten van Basel en Zürich. Het project is in 2006 gestart met als eerste doel metingen en waarnemingen te doen die voorheen niet mogelijk waren. Met behulp van state-of-the-art technologie, de onderzoekers waren op zoek naar in-situ metingen in permafrost van steile gesteenten van ongekende kwaliteit en kwantiteit.

Ze waren niet alleen succesvol, maar de onderzoekers versloegen comfortabel hun doel, zoals ze rapporteren in een artikel dat net in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschapsgegevens van het aardsysteem . De studie beschrijft een uniek 10-jarig record van gegevens met hoge resolutie die zijn vastgelegd door wetenschappers op de Hörnli-rug van de Matterhorn, 3500 meter boven zeeniveau. Een totaal van 17 verschillende sensortypes, gepositioneerd op 29 verschillende sensorlocaties in en rond de steenvalzone van 2003, leverden 115 miljoen afzonderlijke datapunten op.

"Deze dataset vormt de langste, dichtste en meest diverse gegevensrecord in de geschiedenis van alpine permafrost-onderzoek wereldwijd, " zegt Jan Beutel, Senior onderzoeker bij het Computer Engineering and Networks Laboratory van ETH Zürich, met een begrijpelijk gevoel van trots:hij is de drijvende kracht achter het initiatief.

Met behulp van geavanceerde draadloze sensoren, de onderzoekers zijn erin geslaagd om grote hoeveelheden hoogwaardige data bijna realtime beschikbaar te stellen, en de lopende experimenten nauwlettend volgen en controleren. "De gecombineerde analyse van langetermijnmonitoring verkregen uit verschillende soorten instrumenten leidt tot een beter begrip van de processen die kunnen leiden tot destabilisatie van steile rotsen, " zegt Samuel Weber, co-leider van het project en nu postdoctoraal onderzoeker aan de TU München.

Het sensornetwerk omvat ook een automatische camera met hoge resolutie die elke twee minuten foto's maakt van de plaats van de breuk. "Crackmeters" meten de verwijding van de scheuren en de verplaatsing van keien. Temperaturen worden gemeten op verschillende diepten in de rotswand, maar ook aan de oppervlakte. Inclinometers en GPS-sensoren meten permanent hoeveel grotere rotswanden en de hele bergrug vervormen en geleidelijk naar de vallei kantelen. De onderzoekers hebben de afgelopen jaren apparatuur toegevoegd voor het meten van akoestische emissies en microseismische data.

De gegevens worden via WLAN van de Hörnli-rug naar het nabijgelegen bergstation van de kabelbaan van de Klein Matterhorn doorgegeven, van waaruit ze in realtime via internet naar het datacenter van ETH Zürich worden verzonden. Hier worden ze continu gevangen, geanalyseerd en beoordeeld - en zijn de afgelopen 10 jaar de klok rond, wat voor weer het ook is.

10 jaar permafrost meting

"In de afgelopen drie jaar van ons project hebben de integratie van complexere seismische gegevens was bijzonder nuttig om ons te helpen te kwantificeren wat we vanaf het begin graag wilden onderzoeken:de destabilisatie die leidde tot steenslag. Dit heeft ons geholpen patronen te identificeren in de signalen van de berg die ons in staat stellen dergelijke gebeurtenissen vast te leggen, ' zegt Beutel.

Meten van de resonantiefrequenties van de rotswand

Het gebruik van seismische detectiesystemen maakte het mogelijk om veel verschillende signalen te detecteren - zoals de vorming van scheuren die aanvankelijk onzichtbaar en verborgen waren in de rotswand - die de vorige sensoren niet konden vangen. "Seismische sensoren leggen veel meer gegevens vast, en ons ongekende informatiedichtheid en analysemogelijkheden bieden, " zegt de elektrotechnisch ingenieur. Maar deze sensoren hebben een aantal nadelen:ze hebben kabels nodig, meer kracht, en diepe boorgaten, die eerst geboord moeten worden. En ze nemen ook signalen op die niets met de berg te maken hebben, zoals de voetstappen van klimmers op weg naar de top van de Matterhorn.

De onderzoekers moesten eerst al het omgevingsgeluid uit deze gegevens verwijderen met behulp van machine learning en slimme algoritmen die rechtstreeks in de draadloze sensoren werden geprogrammeerd door de ETH-promovendi die momenteel bij het project betrokken zijn. Om te toetsen aan de grondwaarheid, voedden ze de algoritmen ook met gegevens die zijn vastgelegd in de Hörnlihütte, een alpenhut waar bergbeklimmers die de Matterhorn beklimmen, overnachten. Het aantal mensen dat blijft overnachten en klimmen, dient als indicatie wanneer mensen die de berg beklimmen voor interferentie zorgen.

Analyse van de gefilterde seismische data levert voor Beutel een interessant beeld op:"De resonantiefrequenties die in de rotsen voorkomen variëren aanzienlijk in de loop van het jaar." Dit fenomeen hangt samen met de processen van invriezen en ontdooien op de berg. Veel microscheurtjes en kloven zijn gevuld met ijs en sediment, en deze mix is ​​keihard bevroren in de winter. Als dit in de zomer ontdooit, de binding in de fissuren verandert. De vrij trillende rotsmassa wordt groter, en als resultaat neemt de resonantiefrequentie af. In de winter gebeurt het omgekeerde:de resonantiefrequentie van de rotsmassa neemt toe.

"Het is hetzelfde principe als op een gitaar - de toon hangt af van waar je de snaren vastpakt, waardoor vibrerende elementen van verschillende lengte ontstaan, ' legt Beutel uit.

"Zeer abrupte veranderingen in het patroon van deze resonantiefrequenties zouden erop wijzen dat de stabiliteit van een deel van de rotswand is veranderd, " zegt Beutel. Als de frequenties dalen, het kan betekenen dat bestaande kloven zijn verdiept of geopend, wat mogelijk wijst op een opkomende steenslag van een aanzienlijke massa.

"Met behulp van seismische en akoestische gegevens, gecombineerd met metingen van scheurbreedtes en foto's van de onderzoekslocatie, we kunnen heel precies identificeren hoe de permafrost verandert en voorspellingen doen over problemen die zich beginnen te ontwikkelen, " zegt Beutel. "Ik beschouw dit als een van de beste prestaties tot nu toe van het PermaSense-project."

Hij zegt dat dit allemaal te danken is aan zijn projectpartner, Samuël Weber, die de afgelopen drie jaar een baanbrekende scriptie over dit onderwerp heeft geschreven aan de Universiteit van Zürich. Een andere belangrijke factor was de betrokkenheid van ETH-professor Donath Fäh en de Zwitserse seismologische dienst, die de seismologische expertise leverde.

Plotseling openen van rotsscheuren

Het meetproject op de Matterhorn is nog niet afgelopen, maar nog steeds aan de gang. Terwijl het nog loopt, Beutel wil graag de knowhow van de "Horu, " de lokale naam voor de iconische berg, naar andere projecten en sites. De technische en geologische expertise die is opgedaan, kan nu worden toegepast bij het voorspellen van natuurrampen. Beutel zegt dat een mogelijk gebruik mogelijk is bij Piz Cengalo in de Bregaglia-vallei. In de zomer van 2017 heeft een enorme steenslag van enkele miljoenen kubieke meters een aantal mensen gedood en de resulterende puinstroom vernietigde delen van het dorp Bondo beneden. Deskundigen zijn het erover eens dat er op deze berg nog meer stenen zullen vallen en volgen de omstandigheden nu de klok rond met behulp van radar, maar in-situ metingen ontbreken tot op heden.