Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Datenschatz vom Matterhorn

14.08.2019

Einzigartige Messkampagne und Naturgefahrenforschung: Seit 10 Jahren liefert ein Drahtlos-Sensornetzwerk auf dem Hörnligrat am Matterhorn ununterbrochen Messdaten über den Zustand der Felsen, des Permafrosts und des herrschenden Klimas.

Im Hitzesommer 2003 ereignete sich am Matterhorn ein Felssturz, der Öffentlichkeit wie Forschung aufschreckte: Am Hörnligrat brachen 1500 Kubikmeter Fels ab. Im steilen Fels klaffte eine Lücke, die mit Eis bedeckt war. Rasch wurde Fachleuten klar: Die Rekordhitze hatte den Fels bis in grosse Tiefen erwärmt und das Eis, das in Poren und Rissen enthalten war, geschmolzen. Dadurch fehlte der Kitt, welche die Felsmassen zusammenhielt.


Arbeiten mit einer spektakulären - oder schwindelerregenden - Aussicht: Ein Forscher bei Unterhaltsarbeiten am Sensor-Netzwerk in der Felssturzzone von 2003.

PermaSense / ETH Zürich

Dieser Felssturz war Auftakt für das Projekt PermaSense, ein interdisziplinär ausgerichtetes Forschungsvorhaben von Geo- und Ingenieurwissenschaftlern der ETH Zürich und weiterer Institutionen, darunter die Universitäten Zürich und Basel.

Das Projekt startete 2006 mit dem Ziel, Messungen und Beobachtungen zu ermöglichen, die bis zum damaligen Zeitpunkt unmöglich waren. Die Forschenden wollten mithilfe modernster Geräte und Technologie in steilem Permafrost Messdaten in bisher unerreichter Menge und Qualität erheben.

Das ist ihnen nicht nur gelungen, die Forschenden haben das Ziel weit übertroffen, wie sie in der Fachzeitschrift «Earth System Science Data» berichten. Die Studie beschreibt einen einmaligen 10 Jahre umfassenden hochaufgelösten Datensatz, den die Wissenschaftler im Hochgebirge am Hörnligrat des Matterhorns auf 3500 m ü.M. erhoben haben. 17 verschiedenen Sensortypen an 29 Stellen am Grat und an der Abbruchstelle verteilt lieferten 115 Millionen einzelne Datenpunkte.

«Dieser Datensatz ist wohl einer der längsten, dichtesten und diversesten Datensätze in der Geschichte der Permafrostforschung überhaupt», sagt Jan Beutel, Senior Researcher am Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze der ETH Zürich. Beutel war und ist die treibende Kraft hinter dem Vorhaben.

Durch den Einsatz modernster drahtloser Sensorik ist es den Forscherinnen und Forschern gelungen, sehr viele Daten von hoher Qualität zu erhalten, diese Daten in nahezu Echtzeit verfügbar zu machen und die laufenden Experimente genau zu überwachen und zu steuern.

«Die kombinierte Analyse von Langzeitmessungen verschiedener Messsysteme führt zu einem vertieften Verständnis von Prozessen, welche zur Destabilisierung von Felswänden führen kann», sagt Samuel Weber, der Projektpartner von Beutel und derzeit Postdoktorand an der TU München.

Zum Sensornetzwerk zählt unter anderem eine automatische Spiegelreflexkamera, die alle zwei Minuten Bilder von der Abbruchstelle schiesst; Abstandsmessungen in Felsspalten gehören dazu, welche die Weitung von Klüften und den Versatz von Felsbrocken zueinander messen. In verschiedenen Felstiefen, aber auch an der Oberfläche, werden Temperaturen gemessen.

Permanent messen Neigungsmesser und GPS-Sensoren, wie sich einzelne Felsköpfe und der ganze Grat talwärts neigen. In den letzten Jahren ergänzten die Forscher ihre Sensorenfamilie um Seismik- und Akustik-Messgeräte.

Vom Hörnligrat gelangen die Messdaten über Funk zum Kleinen Matterhorn und von dort über das Internet praktisch in Echtzeit in ein Rechenzentrum der ETH Zürich. Dort werden sie gesammelt, analysiert und ausgewertet, seit nunmehr 10 Jahren permanent und beinahe ohne Unterbruch, sommers wie winters, zu jeder Tageszeit.

Resonanzen der Felsen messen

«Vor allem die Seismik hat es uns in den letzten drei Jahren der Messkampagne erlaubt, das zu messen, was wir von Anfang an wollten: Steinschlag und Felsstürze. Wir konnten damit in den Signalen vom Berg Muster erkennen, die solche Ereignisse quantitativ erfassbar machen», sagt Beutel.

Mithilfe der seismischen Sensoren ist es ihnen gelungen, sehr viele Ereignisse – etwa die anfänglich unsichtbare Rissbildung in Felsen – zu registrieren, welche die bisherigen Sensoren nicht erfassen konnten. «Seismische Sensoren registrieren viel mehr und bieten Informationsdichten und Analysemöglichkeiten, die wir uns zuvor nicht vorstellen konnten», sagt der Elektroingenieur. Der Nachteil dieser Sensoren: Sie brauchen Kabel, mehr Strom, tiefere Bohrlöcher, welche erst gebohrt werden mussten. Und sie zeichnen auch Signale auf, die gar nicht vom Berg stammen, wie etwa die Schritte von Bergsteigern auf dem Weg zum Gipfel.

Störsignale von Bergsteigern

Dieses Hintergrundrauschen mussten die Forscher erst aus den Daten entfernen, mithilfe von maschinellem Lernen und klugen Algorithmen, welche von aktuell am Projekt beteiligten ETH-Doktoranden direkt auf die drahtlosen Sensoren programmiert wurden. Zur Überprüfung fütterten sie die Algorithmen unter anderem auch mit den Belegungsdaten der Hörnlihütte, wo Bergsteiger übernachten. Die Belegungsdaten dienen dabei als Anhaltspunkt, wann Menschen am Berg unterwegs sind und welche Störsignale von ihnen ausgehen.

Analysen der so aufbereiteten Seismik-Daten zeigten Beutel und Kollegen ein interessantes Bild: «Die Resonanzschwingungen, die in Felsen auftreten, variieren über das Jahr hinweg stark.» Das hängt mit dem Tauen und Gefrieren am Berg zusammen. Viele Klüfte und Risse sind mit Eis und Sedimenten gefüllt. Dieses Gemisch ist im Winter hart gefroren. Im Sommer taut es auf, der Verbund in den Rissen verändert sich. Dadurch wird der freistehende Teil des Felsens grösser, der Felsen schwingt mit einer tieferen Frequenz. Umgekehrt im Winter: Hier schwingt er mit einer höheren Frequenz.

«Das funktioniert wie eine Gitarre – je nachdem, wo man den Hals ergreift, verändert man die Schwingungslängen der Saiten, was andere Töne erzeugt», erklärt Beutel.

Künden Schwingungsmuster Felsabbruch an?

Sehr schnelle abrupte Veränderungen solcher Schwingungsmuster würden darauf hindeuten, dass sich die Stabilität einer Felspartie rasch verändert habe, sagt Beutel. Sinken die Frequenzen rasch, kann dies bedeuten, dass sich ein bestehendes Risssystem stark vertieft oder geöffnet hat. Und das bedeutet dann ein steigendes Risiko in Bezug auf einen grösseren Felssturz oder -Abbruch.

«Wir können also mit seismischen und akustischen Messungen, gekoppelt mit Messungen von Spaltenweiten und Fotografien der Untersuchungsstelle, ziemlich genau abbilden, wie sich der Permafrost verändert und Voraussagen machen, wo sich etwas anbahnen könnte», sagt Beutel, «ich halte dies für eines der besten Resultate, die wir im Rahmen von PermaSense erzielten.»

Zu verdanken seien diese Erkenntnisse seinem Projektpartner Samuel Weber, der in den letzten drei Jahren seine wegweisende Dissertation zum Thema an der Universität Zürich abgeliefert habe, sagt Beutel, andererseits auch dem Schweizerischen Erdbebendienst rund um ETH-Professor Donath Fäh, welcher das Wissen aus der Seismik eingebracht habe.

Abgeschlossen ist die Messkampagne am Matterhorn nicht. Sie läuft vorerst weiter. Das Knowhow vom «Horu» möchte Beutel gerne auch auf andere Projekte übertragen. Das erworbene technische und geologische Wissen könnte für die Naturkatastrophen-Vorhersage an kritischen Orten im steilen Gelände oder an Bergen genutzt werden. Eine Anwendungsmöglichkeit sieht er beispielsweise am Piz Cengalo im Bergell. Dort ereignete sich im Sommer 2017 ein gewaltiger Felssturz von mehreren Millionen Kubikmetern Umfang, der mehrere Menschen in Tod riss. Die Experten erwarten, dass es an diesem Berg noch zu weiteren Felsstürzen kommen wird. Sie überwachen daher den Berg rund um die Uhr mit Radar. In-situ-Messungen fehlen aber bisher.

Beutel könnte sich vorstellen, ein Sensornetzwerk wie am Matterhorn am Pizzo Cengalo zu installieren und zu betreiben. Er versteht dies als einmalige Chance, mehr über die Vorgänge in steilem Permafrost zu lernen, insbesondere über die Mechanismen, die steilen, gefrorenen Fels instabil werden lassen und zum Absturz bringen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Jan Beutel, Computer Engineering and Networks Laboratory, ETH Zürich, janbeutel@ethz.ch, +41 44 632 70 32

Originalpublikation:

Weber S, Beutel j, Da Forno R, Geiger A, Gruber S, Gsell T, Hasler A, Keller M, Lim R, Limpach P, Meyer M, Talzi I, Thiele L, Tschudin C, Vieli A, Vonder Mühll D, and Yücel M: A decade of detailed observations (2008–2018) in steep bedrock permafrost at the Matterhorn Hörnligrat (Zermatt, CH). Earth Syst. Sci. Data, 11, 1–35, 2019, doi: https://dx.doi.org/10.5194/essd-11-1203-2019

Weitere Informationen:

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2019/08/10-jahre-matte...

Peter Rüegg | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Geowissenschaften:

nachricht Messungen zu Veränderungen der Erdkruste infolge der Klimaänderung: TUD-Forscher auf dem Weg nach Grönland
23.08.2019 | Technische Universität Dresden

nachricht Neuer Ansatz zur Erkundung vulkanischer Kraterseen
22.08.2019 | Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Geowissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hamburger und Kieler Forschende beobachten spontanes Auftreten von Skyrmionen in atomar dünnen Kobaltfilmen

Seit ihrer experimentellen Entdeckung sind magnetische Skyrmionen – winzige magnetische Knoten – in den Fokus der Forschung gerückt. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Hamburg und Kiel konnten nun zeigen, dass sich einzelne magnetische Skyrmionen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern in magnetischen Metallfilmen auch ohne ein äußeres Magnetfeld stabilisieren lassen. Über ihre Entdeckung berichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Die Existenz magnetischer Skyrmionen als teilchenartige Objekte ist bereits vor 30 Jahren von theoretischen Physikern vorhergesagt worden, konnte aber erst...

Im Focus: Hamburg and Kiel researchers observe spontaneous occurrence of skyrmions in atomically thin cobalt films

Since their experimental discovery, magnetic skyrmions - tiny magnetic knots - have moved into the focus of research. Scientists from Hamburg and Kiel have now been able to show that individual magnetic skyrmions with a diameter of only a few nanometres can be stabilised in magnetic metal films even without an external magnetic field. They report on their discovery in the journal Nature Communications.

The existence of magnetic skyrmions as particle-like objects was predicted 30 years ago by theoretical physicists, but could only be proven experimentally in...

Im Focus: Physicists create world's smallest engine

Theoretical physicists at Trinity College Dublin are among an international collaboration that has built the world's smallest engine - which, as a single calcium ion, is approximately ten billion times smaller than a car engine.

Work performed by Professor John Goold's QuSys group in Trinity's School of Physics describes the science behind this tiny motor.

Im Focus: Die verschränkte Zeit der Quantengravitation

Die Theorien der Quantenmechanik und der Gravitation sind dafür bekannt, trotz der Bemühungen unzähliger PhysikerInnen in den letzten 50 Jahren, miteinander inkompatibel zu sein. Vor kurzem ist es jedoch einem internationalen Forschungsteam von PhysikerInnen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften sowie der Universität Queensland (AUS) und dem Stevens Institute of Technology (USA) gelungen, wichtige Bestandteile der beiden Theorien, die den Verlauf der Zeit beschreiben, zu verbinden. Sie fanden heraus, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen echte Quanteneigenschaften aufweisen kann.

Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verlangsamt die Anwesenheit eines schweren Körpers die Zeit. Das bedeutet, dass eine Uhr in der Nähe eines schweren...

Im Focus: Quantencomputer sollen tragbar werden

Infineon Austria forscht gemeinsam mit der Universität Innsbruck, der ETH Zürich und Interactive Fully Electrical Vehicles SRL an konkreten Fragestellungen zum kommerziellen Einsatz von Quantencomputern. Mit neuen Innovationen im Design und in der Fertigung wollen die Partner aus Hochschulen und Industrie leistbare Bauelemente für Quantencomputer entwickeln.

Ionenfallen haben sich als sehr erfolgreiche Technologie für die Kontrolle und Manipulation von Quantenteilchen erwiesen. Sie bilden heute das Herzstück der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

GAIN 2019: Das größte Netzwerktreffen deutscher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler startet in den USA

22.08.2019 | Veranstaltungen

Künstliche Intelligenz auf der MS Wissenschaft

22.08.2019 | Veranstaltungen

Informatik-Tagung vom 26. bis 30. August 2019 in Aachen

21.08.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

5G macht die Produktion smarter

23.08.2019 | Informationstechnologie

Wärmekraftmaschinen in der Mikrowelt

23.08.2019 | Physik Astronomie

Auf dem Prüfstand: Automatisierte Induktionsthermographie zur Oberflächenrissprüfung von Schmiedeteilen

23.08.2019 | Maschinenbau

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics