Мониторинг Маттерхорна с помощью миллионов точек данных

Уникальный проект объединяет измерения in-situ с исследованиями природных опасностей. В течение последних десяти лет сеть беспроводных датчиков на гребне Хёрнли Маттерхорна постоянно передает данные о состоянии крутых скальных склонов, вечной мерзлоты и климата. Лидер проекта Ян Бойтель подводит итоги.

Летняя жара 2003 года спровоцировала камнепад, потрясший исследователей и общественность: 1500 кубометров породы обрушились с гребня Хёрнли — объем, примерно эквивалентный двум домам. Обвал обнажил голый лед на поверхности крутого уступа. Эксперты быстро поняли, что рекордные температуры прогрели скалу на такую глубину, что лед в порах и трещинах растаял. Это привело к внезапному ослаблению сцепления, скреплявшего массив породы.

Этот непредсказанный камнепад стал стимулом для создания уникального консорциума PermaSense, объединившего экспертов в области инженерии и наук об окружающей среде из ETH Zurich и ряда других учреждений, включая университеты Базеля и Цюриха. Проект стартовал в 2006 году с целью проведения ранее невозможных измерений и наблюдений. Используя передовые технологии, исследователи стремились получить in-situ измерения в крутой скальной вечной мерзлоте беспрецедентного качества и количества.

Они не только преуспели, но и значительно превзошли свою цель, как сообщается в статье, только что опубликованной в журнале Earth System Science Data. В исследовании описаны уникальные 10-летние данные высокого разрешения, собранные учеными на гребне Хёрнли Маттерхорна на высоте 3500 метров. Всего 17 различных типов датчиков, размещенных в 29 точках в зоне камнепада 2003 года и вокруг нее, предоставили 115 миллионов отдельных точек данных.

"Этот набор данных представляет собой самую длинную, плотную и разнообразную запись в истории исследований альпийской вечной мерзлоты во всем мире", — говорит Ян Бойтель, старший научный сотрудник Лаборатории компьютерной инженерии и сетей ETH Zurich, с понятной гордостью: он является движущей силой этой инициативы.

Используя передовые беспроводные датчики, исследователям удалось сделать большие объемы высококачественных данных доступными почти в реальном времени, а также внимательно отслеживать и контролировать ход экспериментов. "Совместный анализ долгосрочного мониторинга, полученного с помощью различных типов приборов, приводит к лучшему пониманию процессов, которые могут привести к дестабилизации крутой скалы", — говорит со-руководитель проекта Самуэль Вебер, ныне постдокторант TU Munich.

Сеть датчиков также включает автоматическую камеру высокого разрешения, которая делает фотографии места обрушения каждые две минуты. "Трещиномеры" измеряют расширение трещин и смещение валунов. Температуры измеряются на различных глубинах в скале, а также на поверхности. Инклинометры и GPS-датчики постоянно измеряют, насколько деформируются и постепенно наклоняются к долине как более крупные блоки породы, так и весь горный гребень. В последние годы исследователи добавили оборудование для измерения акустических эмиссий и микросейсмических данных.

Данные передаются по WLAN с гребня Хёрнли на вершину станции канатной дороги Кляйн-Маттерхорн поблизости, откуда они в реальном времени передаются через интернет в дата-центр ETH Zurich. Здесь они непрерывно собираются, анализируются и оцениваются — и так было последние 10 лет, круглосуточно, в любую погоду.

"За последние три года нашего проекта включение более сложных сейсмических данных было особенно полезным для количественной оценки того, что мы с самого начала стремились исследовать: дестабилизации, ведущей к камнепаду. Это помогло нам выявить закономерности в сигналах от горы, которые позволяют нам фиксировать такие события", — говорит Бойтель.

Использование сейсмических систем позволило обнаружить множество различных сигналов — например, образование изначально невидимых и скрытых в скале трещин, — которые предыдущие датчики уловить не могли. "Сейсмические датчики собирают гораздо больше данных и предлагают нам беспрецедентную плотность информации и возможности для анализа", — говорит инженер-электрик. Но у этих датчиков есть недостатки: им нужны кабели, больше энергии и глубокие скважины, которые сначала нужно пробурить. Они также записывают сигналы, не имеющие отношения к горе, например, шаги альпинистов на пути к вершине Маттерхорна.

Исследователям сначала пришлось удалить весь этот фоновый шум из данных с помощью машинного обучения и интеллектуальных алгоритмов, которые были запрограммированы непосредственно в беспроводные датчики докторантами ETH, участвующими в проекте. Для проверки они также загрузили алгоритмы данными, записанными в хижине Хёрнлихютте, где ночуют альпинисты. Количество ночующих и восходящих людей служит индикатором, когда скалолазы создают помехи.

"Резонансные частоты, возникающие в скалах, значительно меняются в течение года", — говорит Бойтель. Это явление связано с процессами замерзания и оттаивания на горе. Многие микротрещины заполнены льдом и осадком, и эта смесь зимой замерзает "до состояния камня". Когда летом она оттаивает, сцепление в трещинах меняется. Свободно вибрирующая масса породы увеличивается, и в результате резонансная частота снижается. Зимой происходит обратное: резонансная частота скального массива увеличивается. "Это тот же принцип, что и на гитаре — тон зависит от того, где вы зажимаете струны, создавая элементы разной длины", — объясняет Бойтель.

"Очень резкие изменения в картине этих резонансных частот указывали бы на изменение стабильности части скалы", — говорит он. Если частоты падают, это может означать, что существующие трещины углубились или раскрылись, что, возможно, указывает на зарождающийся камнепад значительного объема.

"Используя сейсмические и акустические данные в сочетании с измерениями ширины трещин и фотографиями места исследования, мы можем довольно точно определить, как меняется вечная мерзлота, и делать прогнозы о начинающих развиваться проблемах", — говорит Бойтель. "Я считаю это одним из лучших достижений проекта PermaSense на сегодняшний день".

По его словам, все это благодаря его партнеру по проекту Самуэлю Веберу, который последние три года писал новаторскую диссертацию на эту тему в Университете Цюриха. Другим ключевым фактором стало участие профессора ETH Доната Фэ и Швейцарской сейсмологической службы, предоставивших экспертизу в области сейсмологии.

Проект измерений на Маттерхорне еще не завершен и продолжается. Пока он идет, Бойтель стремится передать ноу-хау, полученное от "Хору" (местное название знаковой горы), другим проектам и объектам. Приобретенные технические и геологические знания теперь можно применять для прогнозирования событий природных опасностей. Бойтель говорит, что одним из возможных мест применения может быть Пиц Ценгало в долине Брегалья. Летом 2017 года массивный камнепад объемом в несколько миллионов кубометров унес жизни нескольких человек, а образовавшийся селевой поток разрушил часть деревни Бондо внизу. Эксперты сходятся во мнении, что на этой горе произойдут дальнейшие обвалы, и теперь ведут круглосуточный мониторинг с помощью радара, но измерений in-situ до сих пор не хватает.