Когда земля уступает место
Выходы на берег, как известно, представляют опасность в горах. Но иногда земля проседает посреди города и дома вместе с ней. Оба явления иногда трудно предсказать. Исследователи работают над этим. Также используются новые технологии, такие как дроны.
Hochwanner больше для специалистов; его явно затмевает его сосед, Цугшпитце. На высоте 2744 метра это вторая по высоте гора Германии, расположенная к югу от Гармиш-Партенкирхена в массиве Веттерштайн на границе с Австрией. Но больше всего он известен среди альпинистов своей северной стеной, которая почти на 1400 метров круто поднимается от Рейнталя. Около 500 лет назад здесь откололось три миллиона кубометров породы. Сегодня эта скала лежит «каменным хламом» в узкой долине и вынуждает ледяной Партнач уйти под землю. Чуть дальше находится меньшее по размеру осыпное поле «Блауэ Гумпе», образовавшееся в результате оползня объемом один миллион кубометров в 1800 году.
«Но 80 000 кубометров все еще висят в нише сноса и могут обрушиться. Кроме того, здесь много камнепадов. Мы устроили там обсерваторию по обеим причинам», - говорит Йенс Туровски из German Research Центр наук о Земле (GFZ) в Потсдаме. За стеной наблюдают инфракрасная и оптическая камеры, перед ней и над ней находятся шесть сейсмометров, регистрирующих малейшие колебания. «В принципе, мы можем использовать это для триангуляции ударов камней размером с футбольный мяч», - говорит физик, то есть вычислять местоположение по сигналам. Где они вырвались из стены, можно записать с помощью повторяющихся измерений с помощью лазерного сканера, который сравнивает камни до и после.«Тогда мы можем увидеть, где чего-то не хватает, потому что наши инструменты обычно не могут отделить энергию, высвобождаемую при разрыве, от шума - в отличие от удара»..
Камнепад - одна из природных опасностей, которые в основном угрожают повсюду в горах; если разрыхлено более миллиона кубометров, геологи тоже говорят об оползне. Как и на Хохваннере, геологи на Хохфогель в Альгой и на Хохниссль возле Инсбрука в Тироле ожидают, что однажды в недалеком будущем оторвутся более крупные массивы горных пород.
Оползень недооценен
Крупнейший в новейшей истории камнепад в Альпах произошел в августе 2017 года в швейцарском кантоне Граубюнден. Миллионы кубометров обломков упали с северного склона Пиц-Ченгало в долину недалеко от деревни Бондо. Хотя геологи уже видели явные признаки в конце июля, они и ответственные органы, по-видимому, недооценили остроту опасности: восемь горных туристов погибли на незаблокированных тропах.
«В отличие от Швейцарии, такие аварии и повреждения, вызванные стихийными бедствиями, не регистрируются в Германии систематически», - говорит Туровски. В целом исследователи пока слишком мало знают о деталях процессов, приведших к оползню. Однако Рейнталь считается исключительно активным районом. Исследователи из Мюнхенского технического университета (TUM) уже установили там сети в начале 2000-х годов, чтобы регистрировать количество падающих камней. На мелкие мероприятия, на каждое из которых приходится меньше десяти кубометров, экстраполировано добрых 1500 кубометров в год. Если учесть исторические оползни, то каждый год в долину обрушивается в среднем почти 9000 кубических метров валунов.
Похожая смотровая площадка в долине Лаутербруннен в Бернском Оберланде позволила получить более подробные сведения, чем еще молодая обсерватория на Хохваннере. Под городом Мюррен находится крутой скальный склон, с которого бейсджамперы летом ныряют в глубину. Команда GFZ также установила здесь шесть измерительных устройств, так называемых геофонов, и измерила в общей сложности 49 событий за три месяца осенью 2014 г. и весной 2015 г.; самый большой из них разрыхлил добрых два кубометра материала. «Для размера стены это высокая частота, и здесь много туристов, много туристов», - говорит Туровски..
Смена тепла и холода как причина
Исследование дало некоторые результаты, особенно специфичные для региона: например, было небольшое накопление событий в восемь утра и вечером. И примерно в трети каждого случая спусковым крючком оползня было чередование холода и жары, а также дождей. Замораживание и оттаивание выломало из стены только около десятой части блоков.
Однако изменения, которые вода, мороз и колебания температуры вызывают в породе, можно наблюдать повсюду в горах. Если материал сжимается, когда он холодный, прежде чем он снова расширится, когда он теплый, любые имеющиеся трещины будут становиться все больше и больше. Если вода проникает в расщелины и замерзает там, то лед своим большим объемом давит на скалу. Если гроза гонит дождь в стену, во всех трещинах действует не только гидрологическое давление, но и жидкость уменьшает трение и может дать окончательный толчок для разрушения породы. «Оползни могут быть вызваны водой, но это не обязательно их причина», - подтверждает Йенс Туровски. Несколько лет назад исследователи из Мюнхена также обнаружили на примере Рейнталя и Хохваннера, что сильные грозы и обильные осадки непосредственно предшествуют камнепаду более чем в 90% случаев..
"Оползни могут быть вызваны водой, но это не обязательно их причина" (Йенс Туровски)
Отвесные стены и скальные области, где уже есть разломы и/или встречаются разные типы горных пород, особенно подвержены таким событиям. Изменение климата также создало другие сценарии оползней: отступающие ледники теряют свою опорную функцию или обнажают горные породы, которые ранее не подвергались воздействию погодных условий. А тающая вечная мерзлота размягчает ранее вечно мерзлый грунт, ставя под угрозу устойчивость. Даже небольшое потепление может иметь непропорциональные последствия.
В Кицштайнхорне недалеко от Капруна в австрийской земле Зальцбург местные и немецкие исследователи изучают такие изменения в вечной мерзлоте. Ученые из Инсбрука следят за образованием трещин суставными ножами; Зальцбургские геоморфологи установили датчики температуры на глубине 30 метров под поверхностью; а ученые Михаэля Краутблаттера из ТУМ регистрировали электрическую проводимость склона горы, иногда каждые четыре часа, чтобы иметь возможность распознавать признаки разрывов.
"На Цугшпитце есть участки скал, которые оттаяли впервые за сотни или тысячи лет. Если там есть уязвимая пропасть, это также может привести к камнепадам" (Михаэль Краутблаттер)
В Цугшпитце баварские исследователи используют этот метод, чтобы регулярно проверять расширение вечно замороженных внутренних помещений. Особенно экстремально жарким летом 2018 года площадь линзовидной вечной мерзлоты отступила значительно больше, чем обычно в теплое время года. «Есть участки горных пород, которые оттаяли впервые за сотни или тысячи лет. Если там есть уязвимая пропасть, это также может привести к камнепадам», - сказал Краутблаттер в недавнем интервью Bayerischer Rundfunk. «В Цугшпитце мы относительно уверены, что через 50 лет вечной мерзлоты больше не будет».
В низкогорьях тоже бывает, что склоны становятся неустойчивыми. Например, Центр исследования оползней в Майнце задокументировал события в Шварцвальде и на Швабском Альбе, в 2011 году на мысе Аркона на Рюгене и в 2015 году в Мариеншлухте возле Алленсбаха на Боденском озере: в последних двух случаях погибло по одному человеку.. Катастрофе на юго-западе предшествовали дни сильного дождя.
Другие события частично фиксируются службой по ликвидации последствий стихийных бедствий (NatCat-Service) страховой компании Munich Re. Например, снос куска глины в 2012 году в Гроссостхайме недалеко от Ашаффенбурга, из-за которого погиб пятилетний ребенок. Или когда в 2010 году блок размером с автобус вырвался из стены на холме в Штайн-ан-дер-Траун, к северо-востоку от озера Кимзее, разрушив дом и убив двух человек.
Вызвано слабым землетрясением
Крупнейшее событие такого рода в Германии произошло в 2009 году, когда земля обрушилась на протяжении нескольких сотен метров на берегу затопленной буроугольной шахты недалеко от Нахтерштедта в земле Саксония-Анхальт. Снесены двухквартирный дом и части многоквартирного дома, захоронены три человека. В качестве причин эксперты назвали подъем грунтовых вод и неизвестные подземные туннели старых шахт; Триггером могло послужить очень слабое землетрясение.
В будущем дроны также могут помочь в наблюдении. Исследователи из Фрайбургского университета и Фраунгоферовского института физических методов измерения подвесили 2,5-килограммовую коробку на мультикоптер, который исследует недра с помощью камеры и лазерного сканера. В принципе, пульсирующий источник света работает как радиолокационное устройство: датчики улавливают отражения от земли, а электроника вычисляет расстояние до скалы по продолжительности вспышки света. Сравнение нескольких таких записей показывает изменения.
Когда земля становится неустойчивой, она может не только похоронить под собой людей, но и рухнуть у них под ногами. Тогда ученые говорят о воронках или воронках; они также представляют собой природную опасность в низинах. «Когда растворимый материал, такой как ракушечник или соль в недрах, вступает в контакт с водой и вымывается, образуются поры и полости, которые могут прогибаться», - объясняет Шарлотта Кравчик из GFZ. Это может произойти во многих местах на севере Германии, где соляные купола лежат под землей.
Когда внезапно открывается кратер
К югу от линии Клеве-Котбус, однако, есть более крупные области карбонатных пород и карста, где возможны подобные явления, например, к юго-востоку от Кельна, к югу от Веймара и в верхней долине Дуная. Например, в 2010 году в Шмалькальдене, Тюрингия, в поселении на вершине холма внезапно образовался кратер размером 30 на 30 метров и глубиной 20 метров. В Нордхаузене-ам-Гарце в 2016 году обрушился внутренний двор помещения компании. А в Квикборне, к северу от Гамбурга, земля на детской площадке перед двумя многоквартирными домами просела на 80 сантиметров в 2010 году и на 50 сантиметров в близлежащем саду в 2018 году.
Кравчик координирует совместный проект под названием Simultan с десятью другими институтами, университетами и властями, которые хотят разработать систему раннего обнаружения. Особое внимание уделяется двум областям: Тюрингии и Гамбургу. В ганзейском городе речь идет о районе вокруг рынка Флоттбекер на западе города, где в ложбине посреди жилой застройки лежит заболоченный небольшой участок леса. Здесь под землей есть соляной купол, который тянется на север в сторону Quickborn. В апреле 2009 года здесь произошло несколько слабых землетрясений, которые обеспокоили жителей небольшого района. «Землетрясения связаны с процессами растворения гипсовой шапки подземного соляного купола», - объяснили тогда власти и организовали перенос нового супермаркета на Flottbeker Markt.
Тем временем геофизики из проекта Кравчика провели сейсмические измерения вдоль некоторых дорог в этом районе, чтобы больше узнать о недрах. Они исследуют землю с помощью геофонов и вибрационного устройства. Это позволяет создавать изображения подложки, которые показывают, деформированы ли слои или смещены ли они.
Скоро ли церковь рухнет?
В Бад-Франкенхаузене, расположенном в горах Кифхойзер в Тюрингии, известных карстовыми воронками, уже можно увидеть опасность в деревне: «Здесь башня церкви кривая, она наклонена больше, чем падающая башня Пиза», - говорит Кравчик. «Здесь разломы в недрах достигают поверхности, куда может проникнуть вода». Ученые-земляне даже знают о полости на глубине от 30 до 40 метров возле фундамента церкви. Сеть датчиков сейчас отслеживает дальнейшее развитие событий.
Когда случаются провалы в грунте, события иногда косвенно продвигаются людьми, например, в строительных проектах. В ненарушенной почве, объясняет Кравчик, грунтовые воды могли растворить соль до предела насыщения. Однако, если вырыть строительный котлован и выкачать жидкость из-под него, пресная вода достигает соляного купола сбоку и растворяет дополнительный материал.
Геологические службы федеральных земель знают несколько способов укротить опасность. Например, в общине Тифенорт, которая принадлежит Бад-Зальцунгену, специалисты выкопали воронку, чтобы наполнить ее тяжелым грузом, прикрепленным к измерительному прибору с помощью проволоки. Здесь можно регулярно проверять, не прогнулся ли опять грунт и глубже ли погрузился пробный груз.
Вид из космоса распознает просадку в несколько сантиметров
Повторные спутниковые измерения поверхности также очень полезны. Если они наложены друг на друга, он быстро и точно показывает, где просел грунт. Немецкий федеральный институт геонаук и природных ресурсов (BGR) использовал этот метод, например, для изучения северной Германии и региона Рейн-Мозель. На картах зеленый цвет обозначает незаметные изменения, синий - подъем, а красный - опускание. Например, области возле Клоппенбурга и Вольфсбурга и к западу от Кобленца отмечены.
"Обычно проходит много времени, прежде чем это происходит очень быстро" (Шарлотта Кравчик)
С помощью регулярных обзоров из космоса израильские геологи установили систему раннего предупреждения на Мертвом море: там видно оседание всего на несколько сантиметров - явный признак того, что скоро образуется воронка. Мертвое море является важным исследовательским регионом для геологов, «потому что там все происходит так быстро. Кроме того, ландшафт не зарос растениями, поэтому вы можете очень хорошо видеть, что происходит», - восторгается Шарлотта Кравчик.
Опять же, процесс является результатом вмешательства человека. Большие объемы воды перекачиваются для нужд сельского хозяйства из притока соленого озера Иордан; поэтому уровень воды значительно упал. Пресная вода медленно поступает с близлежащих гор и начинает растворять недра. Именно поэтому там за короткое время было создано 6000 дыр, о чем недавно сообщила телепрограмма «Знание планеты». Пляж Минерал-Бич пришлось закрыть, большие участки берега больше недоступны. В Израиле частично отменено правило, применимое ко всем типам воронок и оползней: «Обычно проходит очень много времени, - говорит Шарлотта Кравчик, - прежде чем это происходит очень быстро».