La minaccia di frane è di nuovo nelle notizie mentre le tempeste invernali torrenziali in California minacciano di minare le colline segnate dal fuoco e portare letali colate di detriti che si schiantano contro le case e inondano le strade.

Ma non occorrono incendi per rivelare il pericolo di frana, Università della California, Berkeley, dicono i ricercatori. I rilievi aerei che utilizzano la mappatura laser aerea - LiDAR (rilevamento e raggio di luce) - possono fornire informazioni molto dettagliate sulla topografia e sulla vegetazione che consentono agli scienziati di identificare quali aree soggette a frane potrebbero cedere durante un temporale previsto. Ciò è particolarmente importante per prevedere dove le frane superficiali, quelle che coinvolgono solo il mantello del suolo, possono mobilitarsi e trasformarsi mentre viaggiano verso il basso in colate detritiche distruttive.

La presa, dicono, è che tali informazioni non possono ancora aiutare a prevedere quanto grandi e potenzialmente pericolose saranno le frane, il che significa che le evacuazioni possono colpire molte più persone di quelle realmente minacciate da grandi frane e colate detritiche.

In un nuovo articolo apparso questa settimana sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze, Gli scienziati, Il geologo della UC Berkeley William Dietrich e lo scienziato del progetto Dino Bellugi riportano il loro ultimo tentativo di etichettare le aree soggette a frane in base alle loro dimensioni probabili e al potenziale di pericolo, nella speranza di previsioni più precise. Il loro modello tiene conto degli aspetti fisici dei pendii:ripidità, le strutture delle radici che tengono il pendio in posizione e la composizione del suolo, e i percorsi che l'acqua segue mentre scorre verso il basso e nel terreno.

Ancora, mentre il modello è migliore nell'identificare le aree soggette a frane più grandi e potenzialmente più pericolose, i ricercatori hanno scoperto fattori che influenzano la dimensione della frana che non possono essere facilmente determinati dai dati aerei e devono essere valutati da terra:un compito arduo, se uno è preoccupato per l'intero stato della California.

Le principali incognite sono come sono il suolo sotto la superficie e il substrato roccioso sottostante e l'influenza delle frane passate sulle condizioni del terreno.

"I nostri studi evidenziano il problema della sovrapredizione:abbiamo modelli che prevedono con successo la posizione delle diapositive che si sono verificate, ma finiscono per prevedere molti luoghi che non sono accaduti a causa della nostra ignoranza sul sottosuolo, " disse Dietrich, UC Berkeley professore di scienze della terra e planetarie. "Le nostre nuove scoperte sottolineano in particolare che la struttura spaziale del materiale del pendio della collina - profondità del suolo, forza della radice, permeabilità e variabilità lungo il pendio:giocano un ruolo nella dimensione e nella distribuzione e, perciò, il pericolo stesso. Stiamo sbattendo contro un muro, se vogliamo andare oltre con la previsione delle frane che tenta di specificare dove, quando e quanto sarà grande una frana, dobbiamo avere una conoscenza che è davvero difficile da ottenere, ma importa."

Modelli chiave per evacuazioni mirate

Decenni di studi di Dietrich e altri hanno portato a modelli predittivi di dove e in quali condizioni di pioggia i pendii falliranno, e tali modelli sono utilizzati in tutto il mondo in combinazione con i modelli di previsione del tempo per individuare le aree che potrebbero subire smottamenti in una tempesta in arrivo e allertare i residenti. Ma questi modelli, innescato dalle cosiddette "soglie empiriche di pioggia, "sono conservatori, e le agenzie governative spesso finiscono per emettere avvisi di evacuazione per vaste aree per proteggere vite e proprietà.

Dietrich, che dirige l'Eel River Critical Zone Observatory, un progetto decennale per analizzare come l'acqua si sposta dalla chioma degli alberi attraverso il suolo e il substrato roccioso e nei corsi d'acqua, sta cercando di migliorare i modelli di previsione delle dimensioni delle frane basati sulla fisica dei pendii. L'imaging laser aereo che utilizza LiDAR può fornire dettagli su scala submetrica, non solo di vegetazione, ma anche del terreno sotto la vegetazione, consentendo misurazioni precise dei pendii e una buona stima dei tipi di vegetazione sui pendii.

Le piste falliscono durante i temporali, Egli ha detto, perché la pressione dell'acqua nel terreno, la pressione dei pori, allontana le particelle di terreno, rendendoli galleggianti. La galleggiabilità riduce l'attrito che trattiene le particelle di terreno contro la gravità, e una volta che la massa dello scivolo è sufficiente per spezzare le radici che tengono fermo il terreno, la pendenza crolla. Gli scivoli poco profondi possono interessare solo la parte superiore del terreno, o perlustrare fino al substrato roccioso e spingere tutto sotto di esso giù per il pendio, creando letali colate detritiche che possono viaggiare per diversi metri al secondo.

Ogni anno piovoso lungo la costa del Pacifico, le case vengono spazzate via e le vite perse a causa di grandi frane, anche se la minaccia è mondiale. Come illustrato da una frana a Sausalito esattamente due anni fa, le frane possono originarsi solo a breve distanza a monte e mobilitarsi come una colata detritica che viaggia per metri al secondo prima di colpire una casa. La dimensione della frana iniziale influenzerà la profondità e la velocità del flusso e la distanza che può percorrere in discesa nei canyon, ha detto Dietrich.

Con i modelli di computer precedenti, Dietrich ei suoi colleghi sono stati in grado di individuare con maggiore precisione i luoghi sui pendii che avrebbero subito frane. Nel 2015, Per esempio, Bellugi e Dietrich hanno usato il loro modello al computer per prevedere frane poco profonde su un pendio ben studiato a Coos Bay, Oregon, durante una sequenza di temporali provocatori di frane, basata esclusivamente su queste misure fisiche. Questi modelli hanno utilizzato i dati LiDAR per calcolare la pendenza e il modo in cui l'acqua scorrerebbe verso il basso e influirebbe sulla pressione interstiziale all'interno del pendio; la storia stagionale delle precipitazioni nella zona, che aiuta a valutare quanta acqua sotterranea è presente; e stime del suolo e della forza delle radici.

Nel nuovo giornale, Bellugi e David Milledge della Newcastle University di Newcastle upon Tyne nel Regno Unito hanno testato il modello di previsione delle frane su due paesaggi molto diversi:uno molto ripido, collina profondamente incisa e boscosa in Oregon, e un liscio, erboso, valle glaciale dolcemente inclinata nel leggendario Lake District in Inghilterra.

Sorprendentemente, hanno scoperto che la distribuzione di piccole e grandi frane poco profonde era abbastanza simile in entrambi i paesaggi e poteva essere prevista se prendessero in considerazione un'informazione in più:la variabilità della forza del pendio su questi pendii. Hanno scoperto che piccole diapositive possono trasformarsi in grandi diapositive se le condizioni - forza del suolo, forza delle radici e pressione dei pori:non variano sufficientemente su brevi distanze. Essenzialmente, piccoli scivoli possono propagarsi lungo il pendio e diventare più grandi collegando aree isolate soggette a scivolamenti, anche se sono separati da una pendenza più solida.

"Queste aree che sono suscettibili di frane superficiali, anche se potresti essere in grado di definirli, può fondersi, se abbastanza vicini l'uno all'altro. Quindi puoi avere una grande frana che racchiude alcune di queste piccole macchie di bassa resistenza, " ha detto Bellugi. "Queste macchie di bassa resistenza possono essere separate da aree che sono forti - possono essere densamente boscose o meno ripide o più asciutte - ma se non sono ben separate, allora quelle aree possono fondersi e fare una gigantesca frana".

"Sui pendii, ci sono alberi e topografia, e possiamo vederli e quantificarli, " aggiunse Dietrich. "Ma partendo dalla superficie e scendendo nel terreno, c'è molto di cui abbiamo bisogno nei modelli che ora non possiamo quantificare su grandi aree:la variazione spaziale della profondità del suolo e della forza delle radici e l'influenza del flusso delle acque sotterranee, che può emergere dal substrato roccioso sottostante e influenzare la pressione dei pori del suolo".

Ottenere informazioni così dettagliate su un intero pendio è uno sforzo erculeo, ha detto Dietrich. Sulle piste dell'Oregon e del Lake District, i ricercatori hanno camminato o scansionato l'intera area per mappare la vegetazione, composizione e profondità del suolo, e oltre le diapositive metro per metro, e poi faticosamente stimata la forza della radice, tutto ciò è poco pratico per la maggior parte delle piste.

"Ciò che dice è che per prevedere le dimensioni di una frana e una distribuzione delle dimensioni, abbiamo una barriera significativa che sarà difficile da attraversare, ma è necessario, ovvero essere in grado di caratterizzare le proprietà del materiale sotto la superficie, " Disse Dietrich. "L'articolo di Dino dice che la struttura spaziale del sottosuolo è importante".

I precedenti studi sul campo dei ricercatori hanno scoperto, Per esempio, che il substrato roccioso fratturato può consentire il flusso d'acqua localizzato nel sottosuolo e minare pendii altrimenti stabili, qualcosa di non osservabile, ancora, da rilievi aerei.

Esortano una ricerca più intensa sui pendii ripidi per essere in grado di prevedere queste caratteristiche del sottosuolo. Ciò potrebbe includere più perforazioni, installazione di apparecchiature di monitoraggio idrologico e applicazione di altri strumenti geofisici, compresi penetrometri a cono, che può essere utilizzato per mappare il suolo suscettibile di cedimento.