Un proyecto único está vinculando las mediciones in situ con la investigación de peligros naturales. Durante los últimos diez años, una red de sensores inalámbricos en la cresta Hörnli del Matterhorn ha estado transmitiendo constantemente datos de medición sobre el estado de las paredes rocosas empinadas, permafrost y clima predominante. El líder del proyecto, Jan Beutel, revisa el progreso hasta la fecha.

La ola de calor del verano de 2003 provocó una caída de rocas que conmocionó tanto a los investigadores como al público en general:1, 500 metros cúbicos de roca se desprendieron de la cresta de Hörnli, un volumen aproximadamente equivalente a dos casas. El evento de fractura expuso el hielo desnudo en la superficie de la escarpa escarpada. Los expertos pronto se dieron cuenta de que las temperaturas récord habían calentado la roca a tal profundidad que el hielo contenido en sus poros y fisuras se había derretido. Esto efectivamente provocó una reducción repentina de la unión que mantenía unida la masa rocosa.

El desprendimiento de rocas imprevisto fue el incentivo para establecer PermaSense, un consorcio de proyectos único que reúne a expertos de diferentes disciplinas de investigación ambiental y de ingeniería de ETH Zurich y varias otras instituciones, incluidas las universidades de Basilea y Zúrich. El proyecto se lanzó en 2006 con el objetivo inicial de realizar mediciones y observaciones que antes no habían sido posibles. Utilizando tecnología de punta, Los investigadores buscaban obtener mediciones in situ en permafrost de lecho rocoso empinado de una calidad y cantidad sin precedentes.

No solo tuvieron éxito, pero los investigadores lograron cómodamente su objetivo, como informan en un artículo recién publicado en la revista Datos científicos del sistema terrestre . El estudio describe un registro único de 10 años de datos de alta resolución capturados por científicos en la cresta Hörnli del Matterhorn, 3500 metros sobre el nivel del mar. Un total de 17 tipos de sensores diferentes colocados en 29 ubicaciones distintas de sensores dentro y alrededor de la zona de desprendimiento de rocas de 2003 entregaron 115 millones de puntos de datos separados.

"Este conjunto de datos constituye el más largo, el registro de datos más denso y diverso en la historia de la investigación del permafrost alpino en todo el mundo, "dice Jan Beutel, Investigador senior en el Laboratorio de Ingeniería Informática y Redes de ETH Zurich, con un sentido de orgullo comprensible:es el motor de la iniciativa.

Utilizando sensores inalámbricos de última generación, los investigadores han logrado poner a disposición grandes volúmenes de datos de alta calidad casi en tiempo real, y supervisar y controlar de cerca los experimentos en ejecución. "El análisis combinado de monitoreo a largo plazo obtenido de diferentes tipos de instrumentos conduce a una mejor comprensión de los procesos que pueden conducir a la desestabilización de rocas escarpadas, "dice Samuel Weber, co-líder del proyecto y ahora investigador postdoctoral en TU Munich.

La red de sensores también comprende una cámara automática de alta resolución que toma fotografías del lugar de la fractura cada dos minutos. Los "medidores de grietas" miden el ensanchamiento de las fisuras y el desplazamiento de los cantos rodados. Las temperaturas se miden a varias profundidades en la pared rocosa, así como en la superficie. Los inclinómetros y los sensores de GPS miden permanentemente cuánto más grandes particiones de rocas, así como toda la cordillera, se están deformando y se inclinan gradualmente hacia el valle. En los últimos años, los investigadores han agregado equipos para medir emisiones acústicas y datos microsísmicos.

Los datos se transmiten a través de WLAN desde la cresta de Hörnli hasta la estación de la cima del teleférico del Klein Matterhorn cercano, desde donde se transmiten en tiempo real a través de Internet al centro de datos de ETH Zurich. Aquí son capturados continuamente, analizados y evaluados, y lo han sido durante los últimos 10 años, alrededor del reloj, cualquiera que sea el clima.

10 años de medición de permafrost

"Durante los últimos tres años de nuestro proyecto, La incorporación de datos sísmicos más complejos ha sido particularmente útil para ayudarnos a cuantificar lo que estábamos interesados ​​en investigar desde el principio:la desestabilización que conduce al desprendimiento de rocas. Esto nos ha ayudado a identificar patrones en las señales de la montaña que nos permiten capturar tales eventos, "Dice Beutel.

Midiendo las frecuencias de resonancia de la pared rocosa

El uso de sistemas de detección sísmica hizo posible detectar muchas señales diferentes, como la formación de grietas inicialmente invisibles y ocultas en la superficie de la roca, que los sensores anteriores no pudieron capturar. "Los sensores sísmicos capturan muchos más datos, y ofrecernos oportunidades de análisis y densidad de información sin precedentes, "dice el ingeniero eléctrico. Pero estos sensores tienen varios inconvenientes:necesitan cables, más poder, y pozos profundos, que primero hay que perforar. Y también registran señales que no tienen nada que ver con la montaña, como los pasos de los escaladores en su camino hacia la cumbre del Matterhorn.

Los investigadores primero tuvieron que eliminar todo el ruido ambiental de estos datos utilizando aprendizaje automático y algoritmos inteligentes que fueron programados directamente en los sensores inalámbricos por los estudiantes de doctorado de ETH que actualmente participan en el proyecto. Con el fin de probar la verdad del terreno, también alimentaron los algoritmos con datos registrados en Hörnlihütte, una cabaña alpina donde los montañeros que suben al Matterhorn pasan la noche. El número de personas que pasan la noche y escalan cada una sirve como una indicación de cuándo las personas que escalan la montaña están creando interferencias.

El análisis de los datos sísmicos filtrados proporciona una imagen interesante para Beutel:"Las frecuencias de resonancia que se producen en las rocas varían considerablemente a lo largo del año". Este fenómeno está relacionado con los procesos de congelación y deshielo en la montaña. Muchas microgrietas y fisuras están llenas de hielo y sedimentos, y esta mezcla se congela dura como una roca en el invierno. Cuando esto se descongele en el verano, la unión en las fisuras cambia. La masa rocosa que vibra libremente se agranda, y como resultado, la frecuencia de resonancia disminuye. En invierno ocurre lo contrario:la frecuencia de resonancia del macizo rocoso aumenta.

"Es el mismo principio que en una guitarra:el tono depende de dónde agarres las cuerdas creando elementos vibrantes de diferente longitud, "Explica Beutel.

"Los cambios muy abruptos en el patrón de estas frecuencias de resonancia indicarían que la estabilidad de parte de la superficie rocosa ha cambiado, "Dice Beutel. Si las frecuencias bajan, puede significar que las fisuras existentes se han profundizado o abierto, posiblemente indicando un desprendimiento de rocas emergente de una masa considerable.

"Utilizando datos sísmicos y acústicos, combinado con mediciones de anchos de grietas y fotografías del sitio de investigación, podemos identificar con bastante precisión cómo está cambiando el permafrost y hacer predicciones sobre los problemas que comienzan a desarrollarse, ", Dice Beutel." Considero que este es uno de los mejores logros hasta la fecha del proyecto PermaSense ".

Dice que todo esto es gracias a su socio de proyecto, Samuel Weber, quien pasó los últimos tres años escribiendo una tesis innovadora sobre este tema en la Universidad de Zurich. Otro factor clave fue la participación del profesor de ETH Donath Fäh y el Servicio Sismológico Suizo, quien proporcionó la experiencia en sismología.

Apertura repentina de grietas en la roca.

El proyecto de medición en el Matterhorn aún no ha terminado, pero aún en curso. Mientras todavía está funcionando, Beutel desea transferir los conocimientos técnicos adquiridos con el "Horu, "el nombre local de la emblemática montaña, a otros proyectos y sitios. La experiencia técnica y geológica adquirida ahora se puede aplicar a la predicción de eventos de peligros naturales. Beutel dice que un posible uso podría ser en Piz Cengalo en el valle de Bregaglia. En el verano de 2017, un desprendimiento de rocas masivo de varios millones de metros cúbicos mató a varias personas y el flujo de escombros resultante destruyó partes del pueblo de Bondo debajo. Los expertos están de acuerdo en que se producirán más desprendimientos de rocas en esta montaña y ahora están monitoreando las condiciones durante todo el día utilizando un radar, pero hasta la fecha faltan mediciones in situ.