A3 Lawinen und Massenströme

Thema

Schneelawinen sind schnell fließende, durch die Schwerkraft angetriebene Ströme, die einen Hang hinabströmen. Sie entstehen, wenn die durch das Gewicht der Schneedecke auf eine schwache Schicht ausgeübte Scherspannung die Scherfestigkeit dieser Schicht oder der kritischen Grenzfläche zwischen den Schichten übersteigt. Es gibt zwei Haupttypen von Schneelawinen: Schneebrettlawinen, bei denen eine zusammenhängende Schneeschicht abrupt auf die darunter liegende schwache Schicht bricht, und Pulverschneelawinen, bei denen in der Luft schwebende Schneepartikelwolken sich beim Abstieg wie eine dichte Flüssigkeit verhalten. Die grundlegende Physik einer Schneelawine kombiniert die Bruchmechanik, die erklärt, wie die Lawine ausgelöst wird, mit der Dynamik dichter, granularer Ströme, die ihre Ausbreitung nach dem Auslösen beschreibt. In der Auslösungsphase hängt die Scherfestigkeit der schwachen Schicht von zwei Eigenschaften dieser Schicht ab: ihrer Kohäsion, der Kraft, mit der die Schneepartikel der schwachen Schicht zusammengehalten werden, und ihrem inneren Reibungswinkel, der angibt, wie stark sich die Schneepartikel unter einer bestimmten Last dem Gleiten übereinander widersetzen. Je stärker die Kohäsion der schwachen Schicht und je größer ihr innerer Reibungswinkel ist, desto höher ist ihre Scherfestigkeit und desto mehr Scherspannung ist erforderlich, um die Lawine auszulösen.

Sobald die Lawine in Bewegung ist, unterteilt ein Modell der Dynamik dichter granularer Strömungen den auftretenden Widerstand in zwei Komponenten. Die erste Komponente ist die Basisreibung, die davon abhängt, wie stark die Lawine beim Fallen am Untergrund reibt. Die zweite Komponente ist eine Turbulenzkomponente, die von der Geschwindigkeit der Lawine selbst abhängt und mit zunehmender Fließgeschwindigkeit an Bedeutung gewinnt. Bei niedrigen Geschwindigkeiten dominiert daher die Basisreibung, bei hohen Geschwindigkeiten hingegen die Turbulenzkomponente. Durch die Kombination dieser beiden Widerstandskomponenten erfasst dieses Modell der Dynamik dichter granularer Strömungen das gesamte Verhalten der Lawine von ihrem Entstehungsort bis zu ihrem endgültigen Ablagerungsort.

Gletscherschuttströme vermischen Schmelzwasser mit Sedimenten und zeigen im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Schneelawinen viskoplastisches Verhalten: Solange die einwirkende Spannung unter einem bestimmten Schwellenwert bleibt, verhält sich ein Gletscherschuttstrom wie ein starrer Festkörper; sobald dieser Schwellenwert überschritten wird, fließt er wie eine viskose Flüssigkeit. Dieses viskoplastische Verhalten unterscheidet Gletscherschuttströme sowohl von Schneebrettlawinen als auch von Pulverschneelawinen, obwohl alle drei Phänomene denselben, eingangs beschriebenen gravitativen Ursprung haben.

Das zu erwartende Verhalten dieser Massenströme umfasst Spitzengeschwindigkeiten zwischen zehn und hundert Metern pro Sekunde bei Pulverschneelawinen und Aufpralldrücke zwischen zehn und tausend Kilopascal auf jedes Hindernis in ihrem Weg. Die Flugstrecke einer Schneelawine oder eines glazialen Schuttstroms skaliert mit ihrem Gesamtvolumen: Je größer das Gesamtvolumen an Schnee, Eis oder Sediment ist, desto größer ist die Strecke, die der Massenstrom zurücklegt, bevor er zum Stillstand kommt. Dabei bestimmen die gleiche anfängliche Scherspannung und Scherfestigkeit, die zu Beginn dieser Beschreibung erläutert wurden, letztendlich, wie viel Masse in Bewegung gesetzt wird und wie weit sie sich bewegt.

ID:2652