Wie wirken Lawinen auf Masten und andere sensible Infrastruktur? SLF-Forscher Michael Kohler zeigt in detaillierten Simulationen, dass die Verdichtbarkeit des Schnees den Lawinendruck zunächst mindert, dieser Puffer bei hohen Geschwindigkeiten jedoch plötzlich versagt.

Strommasten, Seilbahnmasten – Lawinen treffen auf ihrem Weg ins Tal auf allerlei Hindernisse. Gerade in entlegenen Gebieten stehen ihnen oft sensible Infrastrukturen in Form schlanker Objekte im Weg. Was passiert, wenn der fliessende Schnee auf ein solches Hindernis trifft, untersucht SLF-Forscher Michael Kohler: «Natürlich versucht man, kritische Infrastruktur nicht in Lawinenzügen zu platzieren, doch manchmal lässt es sich nicht vermeiden. » Ingenieurinnen und Ingenieure müssen wissen, wie viel Druck eine Lawine auf Objekte wie eine Liftstütze ausübt, um sie entsprechend zu verstärken.
Das könnte in Zukunft realitätsnäher und präziser erfolgen. Denn bislang betrachten Forschende Lawinenschnee in ihren Rechenmodellen häufig als inkompressibel. Das heisst, die Schneemassen lassen sich nicht zusammendrücken und prallen mit voller Wucht auf das Hindernis. «Das ist offensichtlich eine Vereinfachung. Jeder der schon einmal einen Schneeball geformt hat, weiß, wie stark sich gerade kalter, trockener Schnee zusammendrücken lässt.», sagt Kohler.
Genau solch kalter, trockener Schnee bildet die Grundlage für die sehr schnellen und damit gefährlichen Staublawinen. Trifft solcher Schnee mit lediglich moderater Geschwindigkeit auf ein Hindernis, wirkt die Kompressibilität wie die Knautschzone beim Auto. «Durch die Verdichtung des Schnees vor dem Hindernis kann die Wucht der Lawine stark abnehmen», erläutert Kohler. Der maximale Schaden ist dann in Wirklichkeit geringer als in den Berechnungsmodellen bislang angenommen.

Klatsche aus dem Nichts
Wird die Lawine allerdings sehr schnell, ist alles anders. «Ab einer gewissen Geschwindigkeit zeigen unsere Simulationen eine überraschende Zunahme des Drucks für lockeren, schwach gebundenen Schnee», sagt Kohler. Er erklärt das damit, wie sich Kräfte und Störungen in flüssigen Medien ausbreiten.
Kohler vergleicht es mit einem Boot auf einem stillen See. Fährt es langsam, schiebt es eine Welle vor sich her und das Wasser «spürt», dass etwas kommt. Ein Wasserfloh vor dem Bug würde durch die Wellen vor dem Boot gewarnt und könnte rechtzeitig verschwinden. Doch fährt das Boot schneller als die Wellen, bleibt die Wasseroberfläche vor dem Bug glatt – der Floh merkt nichts und wird überrascht.
Ähnlich ist das bei sehr schnellen Lawinen. Das sehr lockere Material kann die Information über den bevorstehenden Aufprall nicht schnell genug weitergeben und trifft mit voller Wucht auf das Hindernis, statt abgepuffert drumherum zu fliessen. «Für mich war das anfangs paradox», sagt Kohler. Erwartet hatte er eigentlich, dass der Druck grundsätzlich abnimmt. Seine Ergebnisse zeigen aber, dass Lawinen bei hohen Geschwindigkeiten keine effektive Knautschzone aufbauen und die Lawine die komplette Bewegungsenergie auf das Hindernis überträgt. «Das ist dann wie eine Klatsche aus dem Nichts», vergleicht Kohler.

Numerisches Labor
Um diese Phänomene systematisch zu untersuchen, hat sich der Wissenschafter ein Labor in seinem Computer gebastelt. Numerisches Labor nennt er dieses Computermodell und erklärt: «In einem echten Labor kann man nicht einfach die innere Reibung eines Materials um dreissig Prozent erhöhen oder andere Parameter verändern, am Computer schon.» Dort lässt er virtuelle Schneemassen auf virtuelle Seilbahn- und Strommasten los. Der Vorteil im Vergleich zu aufwendigen Experimenten: verändert Kohler einen Wert, bleiben alle anderen konstant. So findet er heraus, welche Folgen die mechanischen Eigenschaften des Schnees auf Lawinendruck haben, beispielsweise die innere Reibung des Schnees.
Für einen Durchgang rechnet der Computer schon mal mehrere Stunden. Schliesslich simuliert er das Verhalten von bis zu fünf Millionen virtuellen Schneeklümpchen. «Lawinen haben deutlich mehr, aber um lokale Effekte am Hindernis zu untersuchen, genügt das», sagt Kohler.