Un progetto unico sta collegando le misurazioni in situ con la ricerca sui rischi naturali. Negli ultimi dieci anni, una rete di sensori wireless sulla cresta dell'Hörnli del Cervino trasmette costantemente dati di misurazione sulla condizione di ripide pareti rocciose, permafrost e clima prevalente. Il capo progetto, Jan Beutel, esamina i progressi fino ad oggi.

L'ondata di caldo estivo del 2003 ha innescato una caduta di massi che ha scioccato sia i ricercatori che il pubblico in generale:1, 500 metri cubi di roccia si staccarono dalla cresta dell'Hörnli, un volume all'incirca equivalente a due case. L'evento di frattura ha esposto il ghiaccio nudo sulla superficie della scarpata ripida. Gli esperti si sono presto resi conto che le temperature record avevano riscaldato la roccia a una profondità tale che il ghiaccio contenuto nei suoi pori e nelle sue fessure si era sciolto. Ciò ha effettivamente causato un'improvvisa riduzione del legame che tiene insieme l'ammasso roccioso.

La caduta di massi imprevista è stata l'incentivo per la creazione di PermaSense, un consorzio di progetto unico che riunisce esperti di diverse discipline ingegneristiche e di ricerca ambientale dell'ETH di Zurigo e di diverse altre istituzioni, comprese le università di Basilea e Zurigo. Il progetto è stato lanciato nel 2006 con l'obiettivo iniziale di effettuare misurazioni e osservazioni che prima non erano possibili. Utilizzando tecnologie all'avanguardia, i ricercatori stavano cercando di ottenere misurazioni in situ nel permafrost di roccia ripida di qualità e quantità senza precedenti.

Non solo hanno avuto successo, ma i ricercatori hanno battuto comodamente il loro obiettivo, come riportano in un articolo appena pubblicato sulla rivista Dati scientifici del sistema terrestre . Lo studio descrive un record unico di 10 anni di dati ad alta risoluzione catturati dagli scienziati sulla cresta Hörnli del Cervino, 3500 metri sul livello del mare. Un totale di 17 diversi tipi di sensori posizionati in 29 diverse posizioni dei sensori all'interno e intorno alla zona di caduta massi del 2003 ha fornito 115 milioni di punti dati separati.

"Questo set di dati costituisce il più lungo, record di dati più denso e diversificato nella storia della ricerca sul permafrost alpino in tutto il mondo, "dice Jan Beutel, Ricercatore Senior presso il Laboratorio di Ingegneria Informatica e Reti dell'ETH di Zurigo, con un comprensibile orgoglio:è lui il motore dell'iniziativa.

Utilizzando sensori wireless all'avanguardia, i ricercatori sono riusciti a rendere disponibili grandi volumi di dati di alta qualità quasi in tempo reale, e monitorare e controllare da vicino gli esperimenti in corso. "L'analisi combinata del monitoraggio a lungo termine ottenuto da diversi tipi di strumenti porta a una migliore comprensione dei processi che possono portare alla destabilizzazione della roccia ripida, "dice Samuel Weber, co-leader del progetto e ora ricercatore post-dottorato presso TU Munich.

La rete di sensori comprende anche una fotocamera automatica ad alta risoluzione che scatta foto del sito della frattura ogni due minuti. I "fessurametri" misurano l'allargamento delle fessure e lo spostamento dei massi. Le temperature sono misurate a varie profondità nella parete rocciosa, oltre che in superficie. Inclinometri e sensori GPS misurano in modo permanente quanto le partizioni rocciose più grandi e l'intera cresta della montagna si deformano e si inclina gradualmente verso valle. Negli ultimi anni i ricercatori hanno aggiunto apparecchiature per la misurazione delle emissioni acustiche e dei dati microsismici.

I dati vengono trasmessi tramite WLAN dalla cresta dell'Hörnli alla vicina stazione a monte della funivia del Piccolo Cervino, da dove vengono trasmessi in tempo reale via Internet al centro dati dell'ETH di Zurigo. Qui vengono continuamente catturati, analizzati e valutati, e sono stati negli ultimi 10 anni, intorno all'orologio, qualunque sia il tempo.

10 anni di misurazione del permafrost

"Negli ultimi tre anni del nostro progetto, l'incorporazione di dati sismici più complessi è stata particolarmente utile per aiutarci a quantificare ciò che volevamo ricercare fin dall'inizio:la destabilizzazione che porta alla caduta massi. Questo ci ha aiutato a identificare modelli nei segnali dalla montagna che ci consentono di catturare tali eventi, " dice Betel.

Misurazione delle frequenze di risonanza della parete rocciosa

L'uso di sistemi di rilevamento sismico ha permesso di rilevare molti segnali diversi, come la formazione di crepe inizialmente invisibili e nascoste nella parete rocciosa, che i sensori precedenti non erano in grado di catturare. "I sensori sismici acquisiscono molti più dati, e ci offre una densità di informazioni e opportunità di analisi senza precedenti, " dice l'ingegnere elettrico. Ma questi sensori hanno diversi inconvenienti:hanno bisogno di cavi, più potenza, e fori profondi, che prima devono essere forati. E registrano anche segnali che non hanno nulla a che fare con la montagna, come i passi degli scalatori in cammino verso la vetta del Cervino.

I ricercatori hanno prima dovuto rimuovere tutto il rumore ambientale da questi dati utilizzando l'apprendimento automatico e algoritmi intelligenti che sono stati programmati direttamente nei sensori wireless dagli studenti di dottorato dell'ETH attualmente coinvolti nel progetto. Per testare la verità sul terreno hanno anche alimentato gli algoritmi con i dati registrati presso l'Hörnlihütte, un rifugio alpino dove pernottano gli alpinisti che scalano il Cervino. Il numero di persone che pernottano e scalano serve come indicazione quando le persone che scalano la montagna creano interferenze.

L'analisi dei dati sismici filtrati fornisce un quadro interessante per Beutel:"Le frequenze di risonanza che si verificano nelle rocce variano notevolmente nel corso dell'anno". Questo fenomeno è legato ai processi di congelamento e disgelo in montagna. Molte microfessure e fessure sono piene di ghiaccio e sedimenti, e questo mix è congelato come una roccia in inverno. Quando questo si scioglie in estate, il legame nelle fessure cambia. L'ammasso roccioso che vibra liberamente si allarga, e di conseguenza la frequenza di risonanza diminuisce. In inverno avviene il contrario:la frequenza di risonanza dell'ammasso roccioso aumenta.

"È lo stesso principio di una chitarra:il tono dipende da dove si afferrano le corde creando elementi vibranti di diversa lunghezza, "Spiega Beutel.

"Cambiamenti molto bruschi nello schema di queste frequenze di risonanza indicherebbero che la stabilità di una parte della parete rocciosa è cambiata, " dice Beutel. Se le frequenze calano, può significare che le fessure esistenti si sono approfondite o aperte, indicando forse una caduta massi emergente di una massa considerevole.

"Utilizzando dati sismici e acustici, combinato con misurazioni delle larghezze delle fessure e foto del sito di indagine, possiamo identificare in modo abbastanza preciso come sta cambiando il permafrost e fare previsioni sui problemi che iniziano a svilupparsi, " Dice Beutel. "Ritengo che questo sia uno dei migliori risultati fino ad oggi del progetto PermaSense".

Dice che questo è tutto grazie al suo partner di progetto, Samuel Weber, che ha trascorso gli ultimi tre anni a scrivere una tesi innovativa su questo argomento all'Università di Zurigo. Un altro fattore chiave è stato il coinvolgimento del professor Donath Fäh dell'ETH e del Servizio sismico svizzero, che ha fornito la perizia sismologica.

Apertura improvvisa di crepe nella roccia

Il progetto di misurazione sul Cervino non è ancora finito, ma ancora in corso. Mentre è ancora in esecuzione, Beutel desidera trasferire il know-how acquisito dalla "Horu, " il nome locale per la montagna iconica, ad altri progetti e siti. Le competenze tecniche e geologiche acquisite possono ora essere applicate alla previsione di eventi di pericolosità naturale. Beutel dice che un possibile utilizzo potrebbe essere al Piz Cengalo in Val Bregaglia. Nell'estate del 2017 una massiccia caduta di massi di diversi milioni di metri cubi ha ucciso un certo numero di persone e la colata detritica risultante ha distrutto parti del villaggio di Bondo sottostante. Gli esperti concordano sul fatto che su questa montagna si verificheranno ulteriori frane e ora stanno monitorando le condizioni 24 ore su 24 tramite radar, ma ad oggi mancano misurazioni in situ.