Физика катастрофы: как движутся оползни

В начале декабря 2017 года пожар Томас опустошил почти 300 000 акров в Южной Калифорнии. Интенсивный жар пламени не только уничтожил деревья и растительность на склонах холмов над Монтесито, но и испарил их корни. Месяц спустя, в предрассветные часы 9 января, сильный шторм обрушил на оголённые склоны более полутора сантиметров дождя за пять минут. Почва без корней превратилась в мощную жидкую массу, которая устремилась вниз по каньону, подхватывая валуны, а затем, выйдя на равнину, обрушилась на дома. В результате катастрофы погиб 23 человека.

Новое исследование под руководством Дугласа Джеролмака из Школы искусств и наук и Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета в сотрудничестве с Пауло Арратиа из Пенсильванской инженерной школы и учёными из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) применяет передовую физику, чтобы понять, в какой момент твёрдый склон начинает течь как жидкость. Их работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences, основана на лабораторных экспериментах, определивших, как поведение при разрушении и течении образцов с места оползней в Монтесито связано со свойствами материала почвы.

Исследование важно, поскольку в условиях изменения климата частота и интенсивность лесных пожаров, а также экстремальных осадков растут во многих регионах, что увеличивает риск катастрофических оползней. Новые данные, позволяющие прогнозировать предел текучести (yield stress) и заторможенное состояние (jammed state) материала, могут помочь в моделировании селевых потоков для оценки их скорости и дальности распространения.

«Мы осмелились, а может, по наивности, попытаться применить некоторые действительно свежие достижения физики к очень сложному материалу», — говорит Джеролмак. Анализ показал, что поведение материала почти полностью объясняется «липкостью» частиц (пределом текучести) и тем, насколько плотно они могут упаковываться в «заторможенном состоянии». «Красота в том, что образцы из природы могут быть самыми разными по составу... но в итоге все данные сошлись в единую универсальную кривую», — отмечает Пауло Арратиа. Это указывает на общий принцип, работающий как в лаборатории, так и в горах Монтесито.