Die rutschigen Regeln der Schlammlawinen

Behind the Scenes Artikel wurde Live Science in Zusammenarbeit mit der National Science Foundation zur Verfügung gestellt.

Schlammlawinen. Erdrutsche. Vulkanische Murgänge. Lawinen. Steinschlag...

Sie können zu begraben und zerstören Häuser, Straßen und sogar Städte mit wenig oder gar keine Warnung. Wir hatten vor kurzem dramatische Erinnerungen an die Unberechenbarkeit und Variabilität dieser Arten von Naturkatastrophen: eine Schlammlawine in Oso, Washington , dass getötet 41 Menschen, eine Lawine am Mt. Everest, die 13 erfahrene Sherpas und nicht-tödlichen getötet, sondern destruktiv, relativ langsamen Erdrutsch, der Mitte April in Jackson, Wyoming ist aufgetreten.

Obwohl antiken Pompeji ist aber eine dramatische, historische Erinnerung an Mutter Natur macht der Überraschung, was lange außerordentlich unberechenbar schien immer... naja, kalkulierbar.

Erwachsene können einfache mathematische Geschichte Probleme aus Grundschule, z. B. erinnern "Wenn sich ein Lawine-Fluss mit einer Rate von 50 Metern pro Sekunde, wie lange es dauert, bis ein 30 Kilometer entfernten Dorf verschlingen?" Leider für Geologen und andere Erforschung Schlammlawinen, Erdrutsche, vulkanischen Muren, Lawinen und Rock fällt, die Angaben machen die Lösung weit einfache Algebra.

Nach allen, irdenen, vulkanischen und verschneiten Materialien – alle davon können schnell bergab bewegen — tun dies zu unterschiedlichen Preisen je nach ihrer Zusammensetzung die Zusammensetzung des geologischen Besonderheiten vorbei die sie fließen und das Wetter. Obwohl es schwierig sein kann, um die Art und Weise Felsen modellieren, Eis, Lava und vulkanischen Gasen sind wahrscheinlich zu bewegen und wo sie Post-Vulkan oder ein besonders nassen Frühling gehen dürften die Ergebnisse solcher Analysen können letztlich unterstützen, Politik, Stadtplanung, Versicherung Risikobewertung und vor allem öffentliche Sicherheit.

Ein NSF-finanzierte Mathematiker, E. Bruce Pitman von der University of Buffalo, hat untersucht die Dynamik des fließenden granulare Werkstoffmodellierung seit 2001, wenn seine Technik und Geologie Kollegen zusammen kamen, um Schätzung vulkanischen Fluss zu starten.

"Siehst du diese wunderbare Vulkanausbrüche mit Federn, aber schwere Ströme den Berg hinunter gehst, auch wenn dieses Zeug in die Luft geht", sagte Bergmann. "Es kann sehr tödlich sein. Und je nach dem Berg — wenn es Schnee auf dem Berg – dann haben Sie diese schlammigen Art von Dreck, damit es noch schneller bergab gehen kann. " (Vulkanische Bewegungen und Erdrutsche sind Beispiele für Geowissenschaftler schwere Ströme nennen.)

Laut der Centers for Disease Control and Prevention führen Erdrutsche und Murgänge in 25 bis 50 Todesfälle jedes Jahr in den Vereinigten Staaten. Der U.S. Geological Survey (USGS) berichtet, dass "alle 50 Staaten und den US-Territorien Erdrutsche und andere Probleme Grundbruch Erfahrung" einschließlich 36 Staaten mit "mittelschweren bis sehr schweren Erdrutsch Gefahren," darunter die Appalachen und Rocky Mountains, Pacific Coast Regionen und Puerto Rico. USGS-Notizen, die Bereiche wegen Waldbränden oder Überentwicklung entblößt sind besonders anfällig für die Launen der so genannten hat in der Regel als "Boden Fehler."

Pitman verbrachte die letzten 13 Jahre Studium der Bewegungen des Vulkans Soufrière Hills auf Montserrat, Colima Vulkan westlich von Mexiko-Stadt und dem Ruapehu Vulkan in Neuseeland, unter anderem. Arbeiten mit einem Ingenieur, dessen Expertise in der high-Performance computing, Statistiker und mehrere Geologen liegt, Pitman Studien geophysikalische Massenströme, speziell vulkanische Lawinen und pyroklastischen (heiße Gas und Gestein) fließt, die "trockene" fließt.

"Wir begannen, Modellierung von vulkanischen fließt als trockene vulkanischen fließt, so dass die Gleichung das Material als jedes Partikels reibschlüssig gleiten über das nächste Teilchen beschrieben," sagte Pitman. "Wir wussten jedoch, dass es nicht nur feste Partikel. Es könnte auch Luft oder Wasser, so dass wir ein anderes Modell entwickelt. Dies erschwert natürlich die Analyse. In Schlammlawinen, musst du im Schlamm, die ein viskoplastisches Fluid ist Faktor – teilweise wie eine Flüssigkeit, aber auch in der Lage, wie einem Kunststoffmaterial und niemals verformen zu erholen. In nassen oder trockenen Materialien können Sie einige vernünftigen Vorhersagen, weil Flow mehr oder weniger die ist gleichen. Es ist viel schwieriger, die mit Schlamm zu tun."

Pitman erklärte, dass die Art und Weise ein Mathematiker funktioniert ein Vorhersagemodell eines Erdrutsches entwickelt.

"Es gibt drei Fragen," sagte er:

"Erstens ist etwas geschehen? Das ist notorisch schwierig – was unter der Erde vor sich geht? Wo befindet sich der Grundwasserspiegel? Wie viel Feuchtigkeit in der Erde ist? Was ist die Struktur des Bodens? Da wir unter der Erde suchen kann nicht, haben wir alle Arten von Annahmen über den Boden, die Schwierigkeiten zu machen.

"Zweitens, wenn ein Dia auftreten, welche Bereiche sind gefährdet? Das ist etwas, das mit einem mathematischen Modell man hoffen kann, zu erklären. OK, wird Osten, Westen, Norden oder Südhang zu schlüpfen? Wie groß ein Fluss? Welchen Bereichen stromabwärts gefährdet sind?

"Zu guter Letzt muss man Fragen, welchen Teil des Modells tun Sie größter Sorgfalt über. Dies hilft Ihnen, die Modellierung zu vereinfachen. Anschließend führen Sie die was-wäre-wenn-Szenarien, um das größte Risiko zu ermitteln. "Ist es ein Gebiet gefährdet und passieren Schlammlawinen regelmäßig?"

Wir möglicherweise geneigt zu glauben, dass Lavaströme viel komplizierter, aufgrund der Probleme in der Hitze und explosive Kraft zu modellieren sind, sagt Michael Steuerwalt, National Science Foundation Division of Mathematical Sciences Program Director. Jedoch eine Mischung aus völlig unterschiedlichen Teilchen Größen und Formen – die von Schmutz Körner reichen, Menschen, Autos, Häuser, Felsen und Bäume – ein Dia-Modell erheblich erschweren kann.

"Wenn Sie ableiten, zum Beispiel, wo unter diesem Erdrutsch das Haus, das früher dort (zusammen mit seiner Einwohner), dann ist das Modell sehr kompliziert", sagte Steuerwalt. "Mathematik wird nicht dieses Problem allein, entweder lösen. Aber mit topographischen Daten, Bodendaten und Prognosen von Niederschlag, man könnte Bewertungen wo nicht zu bauen und Schätzungen des Risikos zu machen. Dies ist wirklich eine Gelegenheit für Mathematiker nicht nur mit Statistiker, sondern auch Ingenieure, Geographen und Geowissenschaftler gekoppelt."

Letztlich muß der Prozeß gute Daten. Aber es geht auch um Verständnis, wo das Modell vereinfacht die Gleichung und erstellt "Fehler".

"Das klingt vielleicht seltsam, aber es geht nicht um das perfekte Modell zu entwickeln", sagte Pitman. "Alle Modelle haben Fehler in ihnen, weil wir Vereinfachungen, wickeln unsere Gehirne um die physikalischen Prozesse bei der Arbeit machen. Der Schlüssel ist dieser Fehler quantifizieren."

Also, im Wesentlichen der Mathematiker hat wissen, wo man die Gleichung zu vereinfachen, und das kommt auch mit seinen kooperativen Ansatz gemeinsam mit anderen Experten, wie Vulkanologen, und dann interfacing mit Sicherheitsbeamte.

Für einen Mann, "verhasst" Mathematik in der fünften Klasse und studierte Physik in der Schule zunächst, diese Arbeit hat verwandelte sich in etwas, das er liebt, aber auch etwas, wo er meint, dass er einen Unterschied macht. "Ich liebe, wie diese Arbeit erstreckt sich mich und meine Fähigkeit, andere Felder zu verstehen," sagte er. "Ich bekomme zu erkunden, was sie interessiert und was nur den kleinen Haken sein könnte, der mich ein Problem auseinander Hebeln können."

Die Forscher in Behind the Scenes Artikel dargestellt wurden von der National Science Foundation, der Bundesagentur mit der Finanzierung von Grundlagenforschung und Ausbildung in allen Bereichen der Wissenschaft und Technik unterstützt. Meinungen, Erkenntnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen ausgedrückt in diesem Material sind die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten von der National Science Foundation. Sehen den Blick hinter die Kulissen-Archiv.