Bericht # 4.4: Vom Versagen des Schnees

… und der Lawinenforschung

Jürg Schweizer, Leiter des WSL-Institutes für Schnee- und Lawinenforschung SLF in Davos, schaut zurück auf 30+ Jahre Lawinenforschung. Er legt dar, was er gelernt hat, wo wir heute deutlich weiter sind, aber auch, was nicht funktioniert hat und welche Fragen immer noch offen sind.

Jürg Schweizer
Seit 2011 Leiter des WSL-Instituts für Schnee- und Lawinenforschung SLF und Mitglied der Direktion der WSL

Jürg Schweizer lehrt als Titularprofessor an der ETH Zürich. Nach dem Studium der Umweltphysik promovierte er in Glaziologie an der ETH Zürich, bevor er 1990 in die Nationalmannschaft der Schneeforscher auf dem Weissfluhjoch aufgenommen wurde. Seit über 30 Jahren forscht er am SLF, unterbrochen von einem Forschungsaufenthalt in Kanada, mit Fokus auf Schnee- und Bruchmechanik, Lawinenbildung und Lawinenprognose – und dem Ziel, die Unsicherheiten im Lawinenrisikomanagement zu verringern.

Was ich Ihnen hier erzählen möchte, ist ein sehr persönlich gefärbter Rückblick. Es geht mir nicht darum, die Fortschritte der Lawinenforschung der letzten 30 Jahre zu präsentieren, als vielmehr von meinen persönlichen Erfahrungen und Erlebnissen zu berichten, um Ihnen einen Eindruck zu vermitteln, was Forschung bedeutet, was funktioniert und was nicht und wo wir auch manchmal Fehlentscheidungen getroffen haben. Ich gliedere den Rückblick in drei Teile (1) vom Brechen des Schnees, (2) Lawinenbildung und-prognose, und (3) Anwendung und Umsetzung.

Vom Brechen des Schnees

Dieses Foto (siehe oben) hatte in den letzten 20 Jahren den wohl größten Impact. Mein Kollege und Freund Bruce Jamieson aus Kanada und ich haben es bereits im Jahr 2000 publiziert. Tatschlich fand sich das Bild aber schon fünf Jahre zuvor in einem unserer Artikel, der allerdings abgelehnt wurde. Dann haben wir es ein paar Jahre später wieder versucht und es war wieder nicht einfach, denn die Reviewer hatten keine Freude mit unserem abschließenden Satz im Diskussions-Teil: „Im flachen oder schwach geneigten Gelände kann der Kollaps von eingeschneiten Oberflächenreifschichten eine wichtige Energiequelle für die Bruchausbreitung sein.“

Sicher war diese Aussage nicht besonders evidenzbasiert, sondern entsprach eher unserem Bauchgefühl. In der Folge hat das Bild diverse Forschungsarbeiten inspiriert. Zeitweise hat sich viel um den Kollaps gedreht. Die Kommunikation zu einer dieser Arbeiten ist auch ein gutes Beispiel dafür, wie Wissenschaftskommunikation eben gerade nicht funktioniert. Die Uni Karlsruhe hat groß verkündet, ihre Forschenden hätten herausgefunden, dass sich Lawinen aus dem Flachen auslösen lassen. Ich kann mich gut an jenen Abend auf der Diavolezza erinnern, wo ich mit ein paar befreundeten Bergführern am Tisch saß, die hämisch kommentiert haben, was diese Wissenschafter sich wieder haben einfallen lassen. Fernauslösungen waren schließlich nicht wirklich etwas Neues.

Eigenschaften von Schnee – Belastung und Festigkeit

Schnee ist ein sehr spezielles Material. Selbst die Nase in den Schnee zu stecken und dabei einigen der fundamentalen Eigenschaften auf den Grund zu gehen, ist ein Lernprozess, von dem man ein Leben lang zehren kann. Für mich persönlich war mein Jahr in Kanada hierfür sehr wichtig. Wir haben Messungen draußen direkt im Schnee gemacht und andererseits habe ich auch viel Zeit im Labor zugebracht und dort Schneeproben getestet. Draußen haben wir verfolgt, wie Schwachschichten, eingeschneiter Oberflächenrief, sich mit der Zeit verändern. Dabei haben wir gelernt, wie die Schwachschichten mit der Zeit fester werden. Im Labor habe ich Schneeproben belastet, mit dem Ziel den Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit zu bestimmen. Wenn es wärmer wird, wird der Schnee weicher. Und man erkennt auch eine ganz fundamentale Eigenschaft des Schnees: Je schneller man Schnee belastet, umso schneller bricht er. Das hat damit zu tun, dass Schnee immer nahe am Schmelzpunkt ist: er ist heiß. Es kann sich verformen wie Honig oder spröde brechen wie Glas. Innerhalb weniger Grad ändern sich die Eigenschaften fast um einen Faktor 10. Und gerade noch ein Wort zur Erwärmung. Was passiert da und ist das wirklich kritisch? Die Sonneneinstrahlung hat im besten Fall einen Einfluss auf die Verformbarkeit des Schneebretts, was für die Bruchausbreitung wichtig ist, und die Stabilität verändern kann. Allerdings nur dann, wenn sich darunter auch tatsächlich eine Schwachschicht befindet, die schon auf der Kippe steht.

Neben der Temperatur und der Belastungsgeschwindigkeit, hat auch die Belastungsrichtung einen Einfluss, wie Schnee bricht. Unter Scherbelastung bricht er früher als unter Druckbelastung. Die Tragweite dieser Entdeckung haben wir total verkannt. Dazu waren wir nicht schlau genug.

Erst ein paar Jahre später stellte Johan Gaume das Ganze in einen größeren Kontext und fügte die Daten zusammen, um sie schließlich für die Modellentwicklung zu nutzen – aber dazu später mehr.

Bruchzähigkeit von Schnee

Soweit zur Festigkeit. Ob sich in der Schneedecke Risse ausbreiten, hängt von der Bruchzähigkeit ab. Das ist eine Eigenschaft aller Materialien, die aussagt, ob ein Riss unter Belastung größer wird oder nicht. Zwar gab es schon lange ein Modell zur Schneebrettauslösung, das in Analogie zur Geotechnik entstand, wo diese Größe, die Bruchzähigkeit, vorkam, aber wirklich gemessen hatte sie noch niemand. Die ersten Hinweise stammten von ein paar Experimenten zweier Forscher in den Vogesen. Der eine, ein Österreicher, Professor in Paris, schrieb mir einen Brief, in dem er fragte, ob ich an einer Zusammenarbeit interessiert sei. Die beiden kamen nach Davos und wir machten die ersten Versuche im Kältelabor auf dem Weissfluhjoch. Allerdings funktionierte anfänglich gar nichts. Der Schnee wollte nicht brechen. Die beiden reisten ab, wir tüftelten weiter. So entstanden zwei Versuchsanordnungen: Sägen bis zum Versagen bei konstanter Belastung und Belasten einer angesägten Probe bis zum Versagen. Damit erzielten wir wegweisende Ergebnisse. Was im Labor nicht gut funktionierte, war die Bruchausbreitung entlang einer Schichtgrenze. Dazu gingen wir ins Feld, gerüstet mit der Erfahrung aus den Laborversuchen. Im Feld, an einem Hang, haben wir Säulen ausgeschaufelt und dann in die Schwachschicht gesägt. Damit konnten wir erstmals Bruchzähigkeiten von Schwachschichten bestimmen.

Am Ende des Winters traf ich Bruce Jamieson an der EGU-Konferenz in Wien und wir stellten fest, dass wir während des Winters ziemlich dasselbe gemacht haben. Entstanden ist der PST – der Propagation Saw Test.

Schneedeckenvariabilität

Und obwohl diese bruchmechanischen Experimente absolut wegweisend waren, war in der internationalen Forschungsgemeinschaft gerade ein anderes Thema „hot“: die Schneedeckenvariabilität und damit verbunden Fragen zu: Warum oft erst der zweite oder dritte Wintersportler eine Lawine auslöst und ob Schneedeckentests denn repräsentativ seien.

Die Theorie besagte, es gebe superschwache Zonen und nur dort könnten Skifahrer oder Snowboarder die Lawine auslösen. Die Annahme war, dass in diesen Superschwachzonen die Festigkeit so gering ist, dass das Gewicht des darüber liegenden Schnees nicht mehr getragen werden kann, das heisst, ein Initialbruch hatte sich bereits gebildet. Das große Schlagwort war „Flickenteppich“ und ein Foto, das diese Eigenschaft der Schneedecke zeigen sollte, schaffte es sogar auf die Frontseite des legendären SLF-Winterberichts.

Man wollte herausfinden, wie diese Zonen entstehen, wie lang sie leben und wie sie wieder verschwinden. Innerhalb von 10 Jahren gab es ca. 20 Studien. Eine Studie ganz am Anfang gab bekannt, sie hätten die Superschwachzonen gefunden. Das konnte aber niemand jemals reproduzieren und de facto hatte nach 20 Jahren niemand diese Superschwachzonen gefunden. Auch wir haben uns bei dieser Jagd beteiligt, ganze Hänge umgegraben und unzählige Messungen gemacht. Was wir gelernt haben war, dass viele der Schichten in der Schneedecke, vor allem die Schwachschichten, eher durchgehend sind, zwar nicht immer mit den gleichen Eigenschaften, aber grundsätzlich durchgehend vorhanden. Es ist mehr Variation im Schneebrett als in der Schwachschicht. Fazit, die Theorie des Flickenteppichs hat sich somit nicht bestätigt – lebt aber munter weiter… mehr dazu gleich.

Einzigartiges Zufallsergebnis

In einer dieser Variabilitätsstudien sah das Tagesprogramm 113 Messungen mit dem Schnee-Mikro-Penetrometer, dem SMP (Messung des Eindringwiderstandes), 24 Stabilitätstests und ein Profil mit Rutschblock vor. In einem Nordhang am Hanengretji ob Davos waren wir an der Arbeit. Etwa um halb zwei Uhr plötzlich ein lautes Wumm, alle schauten wir reflexartig nach oben, da war er, der Riss, aber nichts passierte, außer dass uns der Schreck in den Knochen steckte – aber, wie auch immer, wir machten weiter. Bei der Auswertung der Daten realisierten wir dann, dass wir ein einzigartiges Zufallsergebnis hatten. Die Daten zeigten, was nach dem Bruch passierte. Der gebrochene Bereich sinterte innerhalb weniger Stunden. Ein absolutes Zufallsresultat – nicht reproduzierbar, aber sehr instruktiv.
Es zeigte nämlich, Superschwachzonen, wenn es sie denn gäbe, können wegen des Sinterns nicht lange existieren. Das bedeutet auch, dass ein angerissener Hang in der Regel bald einmal stabil ist, weil der gebrochene Bereich wieder heilt.

Obwohl wir – und auch andere – die superschwachen Zonen nicht gefunden haben, hat die Idee des „Flickenteppichs“ überlebt. Heute noch gibt es Bauernregeln, die besagen: „Je unregelmäßiger, desto gefährlicher“. Nun, natürlich ist die Schneedecke variabel. Das ist eine grundlegende Eigenschaft der Schneedecke. Gäbe es keine Unterschiede, gäbe es keine Brüche und damit keine Lawinen. Es ist aber alles eine Frage der Skala, die man betrachtet. Und wir haben gelernt, es hängt stark von der Messmethode ab – ob man alle zwei oder alle zehn Meter misst. Dank sauberer geostatischer Auswertung und weil wir gleichzeitig zur Bruchmechanik arbeiteten, fanden wir, zumindest theoretisch, den Schlüssel, wie Variabilität die Lawinenbildung beeinflusst. Wenn die Variabilität kleinräumiger als die typischen Risslängen ist, dann ist das kein Problem, im Gegenteil. Erst wenn sie über größere Distanzen vorkommt, großräumiger ist, wird es schwierig. Die Zeichnungen, die eines Morgens am Küchentisch entstanden, konnten wir schließlich in ein konzeptionelles Modell gießen.

Lawinenbildung und -prognose

Mantra der Lawinenauslösung

Jetzt habe ich schon Einiges gesagt zu Festigkeit und Rissen. Tatsächlich hatten wir schon recht früh, vor über 25 Jahren, eine gute Vorstellung der Lawinenbildung, wie es zur Schneebrettlawine kommt. Die Grafik, das konzeptionelle Model, vom Versagen des Schnees bis zum Abgleiten der Lawine ist also schon einigermaßen alt, hat ihre Bewährungsprobe bestanden und ist schon fast zeitlos. Die grundlegenden Prozesse sind also die Bruchinitiierung, die Bruchausbreitung und letztlich das Abgleiten des Schneebretts. Auch wenn wir eine gute Vorstellung hatten, gelang es uns nicht, ein einheitliches numerisches Modell der Lawinenauslösung zu entwickeln. Immerhin prägte unser konzeptionelles Modell doch ganz wesentlich die Entwicklung – und Bruchinitiierung, Bruchausbreitung und Abgleiten wurde zum Mantra der Lawinenauslösung für eine trockene Schneebrettlawine.

Modellentwicklung

Die zuvor erwähnte Eigenschaft, dass die Festigkeit von der Belastungsrichtung abhängt, kommt jetzt doch noch zum Zug, es war nämlich ein entscheidendes Element, eine wichtige Zutat, bei der Entwicklung des ersten numerischen Modells der Lawinenauslösung. Mit dem MPM-(Material Point Method ) Modell gelang Johan Gaume der Schritt von einem konzeptionellen zu einem quantitativen, numerischen Modell. Es bildet die wichtigen Prozesse Bruchbildung, Bruchausbreitung und Abgleiten schön ab – die Grafik des konzeptionellen Modells existiert weiter.

Die Jagd nach Vorläufersignalen – das Knattern

Um zu prognostizieren, wann es zu einer spontanen Lawine kommt, müssen wir verstehen, wie und wo es im Hang zu einem Initialbruch kommt, wann der Prozess der Bruchbildung in einem Hang passiert. Sprich, wenn es schneit, wird dadurch der Hang langsam instabil oder bleibt alles gleich? Von anderen Materialen wussten wir, es beginnt ein Schädigungsprozess, den man im besten Fall hören kann. Auch beim Schnee sollte das so sein, dass jedes Mal, wenn die Bindung zwischen zwei Schneekristallen bricht, es ein Knacken gibt. Tatsächlich konnten wir dieses Knacken oder Knattern im Labor messen und aufzeichnen, wenn wir Schneeproben zunehmend belasteten. Je näher wir zur Instabilität gekommen sind, desto mehr dieser Brüche gab es – das Knattern wurde immer häufiger und lauter. Bei den Proben im Labor geschah das aber erst etwa 10 Sekunden vor dem kompletten Versagen. Das ist natürlich, falls das im Hang denn auch so wäre, viel zu spät, und damit als Vorläufersignal für eine Warnung nicht ausreichend. Zudem sind die Signale (akustische Emissionen) hochfrequent, so dass man sie nur hört, wenn man nahe an der Quelle, dem sich bildenden Bruch, misst.

Dennoch haben wir versucht, das Knattern auch im Feld aufzuzeichnen. Ein Sensor, eine Wanze im Schnee, der uns sagen kann, wann eine Lawine abgeht, war – seit Jahrzehnten – der Traum vieler Forscher. Tatsächlich ging eine Lawine im ausgewählten Hang ab und wir konnten mit unserer Wanze etwas messen. Allerdings konnten wir nicht wie erhofft Vorläufersignale nachweisen – also wieder einmal Fehlanzeige. Dafür hatten wir erneut ein interessantes Zufallsergebnis: Wir hatten zum ersten Mal gemessen, wie schnell sich vor einem Lawinenabgang der Bruch in der Schwachschicht ausbreitet. Zudem hatten wir auch das Signal des Lawinenabgangs selbst gemessen – und damit den Weg für die Lawinendetektion geebnet.

Lawinenprognose und -warnung

Der Lawinenwinter 1999 hatte gezeigt, dass es noch große Lücken in der Warnung gab; die Prognosen hatten nicht immer gestimmt. Ein Weg zu besseren Prognosen wurde in der Modellierung gesehen. Für die Modelle brauchte es aber Daten. So wurde ein Forschungsprogramm zur Lawinenbildung initiiert.
Meine Mission war klar, ich wollte Daten zur Schneedeckenstabilität – und zwar viele. Es ging darum, den Graben zwischen der Punktskala (ein Schneedeckenprofil im Hang) zur Hangskala zu überbrücken. Für jede Prognose ist immer die Skala ausschlaggebend und man muss klären, von welcher man ausgeht, sonst spricht man aneinander vorbei: Geht man von einem Punkt (wo man den Test macht) aus, vom Hang (wo die Lawine entsteht) oder von einer ganzen Region (wo wir die Lawinenaktivität, ausgedrückt als Gefahrenstufe, prognostizieren)?

Hinter der Gefahrenstufe des Lawinenreports, des Bulletins, steckt die Häufigkeitsverteilung der Stabilität einer Region. Um hinter die Häufigkeitsverteilung zu kommen, braucht es viele Stabilitätstests und damit auch viele Personen.

An 20 Tagen haben wir bei unterschiedlichen Bedingungen bis zu 24 SLF-Mitarbeitende in 2er-Teams frühmorgens in der Region Davos mit dem Helikopter ins Gelände geflogen, mit dem Auftrag, bis zum Abend mit möglichst vielen Profilen mit Rutschblöcken im Feldbuch wieder im Tal zu sein.

Damit konnten wir erstmals zeigen, wie die Stabilität bei verschiedenen Gefahrenstufen in einer Region variiert. Oder anders gesagt, wie sich die Gefahrenstufen in Bezug auf die Schneedeckenstabilität unterscheiden. Wir hatten also die Häufigkeitsverteilungen der Stabilität für die verschiedenen Gefahrenstufen bestimmt. Es dauerte aber noch 20 lange Jahre, bis das Konzept Eingang in die Definition der Lawinengefahrenstufen fand.

Faktor Mensch

Diese Feldkampagnen zur regionalen Schneedeckenstabilität, wir haben sie dann Verifikationskampagnen genannt, waren extrem cool, haben mir aber auch ein paar schlaflose Nächte beschert. Zwei Dutzend Menschen bei Gefahrenstufe „3–erheblich“ ins Feld zu schicken, am liebsten in über 30 Grad steile Hänge ist nicht ohne. Da kommt der Faktor Mensch ins Spiel. Ich hatte dazu keinen Plan. Was ich gemacht habe? Ich entwarf einen Fragebogen und ließ meine Kolleginnen und Kollegen unter anderem bewerten, wie gut sie selbst die Lawinengefahr einschätzen können – auf einer Skala von 1 (überhaupt nicht gut) bis 5 (sehr gut). Einige der „young males“ konnten das „sehr gut“. Damit war klar, was ein „no-go“ war: zwei von diesen in einem 2er-Team. Diese Selbstüberschätzung hätte zu einem krassen Klumpenrisiko geführt.

Und obwohl ich mit dem Faktor Mensch nicht viel am Hut hatte, holte mich das Thema doch noch ein, denn ich sollte in Scotland einen Vortrag zum Thema „Heuristics Traps“ – Wahrnehmungsfallen – halten. Ian McCammon hat die „Heuristics Traps“ eingeführt. Ich hatte mit Ian zusammengearbeitet, aber zu einem ganz anderen Thema. Irgendwie hatten die Organisatoren das Durcheinander gebracht, aber sie liessen sich nicht überzeugen, dass ich nicht der Richtige war. So nahm ich mich dem Thema an, und statt einfach Ian’s Präsentation zu übernehmen, habe ich meine eigenen Beinaheunfälle analysiert – und es waren einige. Mit einem ebenfalls von Ian eingeführten Ansatz kann man bei Unfällen schauen, ob vor dem Unfall Gefahrenzeichen vorhanden waren – was meist der Fall ist. Je nachdem wie viele Anzeichen vorhanden sind, könnte man die Achseln zucken und sagen „Shit happens“ oder aber nicht so selten mit einem „You’re a damned fool“ sein Tun kritisch hinterfragen.