W jaki sposób gęstość lasów spowalnia spływy ziarniste?

Jednym ze sposobów zmniejszenia szkód powodowanych przez lawiny w górach jest stawianie przeszkód na ich drodze. Tymi przeszkodami mogą być sztuczne bariery lub naturalne lasy. Wiedza o tym, jak lawina oddziałuje z przeszkodami, jest niezbędna do łagodzenia skutków lawin, a także niebezpiecznych geofizycznych spływów ziarnistych, takich jak spływy gruzu lub lawiny błotne.

My (zespół naukowców z laboratorium FAST na Uniwersytecie Paris-Saclay) zainspirowani tym problemem opracowaliśmy prototypowy eksperyment na mniejszą skalę, aby zbadać interakcję między materiałem ziarnistym płynącym po pochyłej płaszczyźnie a lasem kolumn. Nasz samolot ma około metra długości i pół metra szerokości i jest pokryty lasem kolumn, zwykle o średnicy 2 mm iw regularnych odstępach co 1 cm. Zastosowane ziarna to szklane kulki o średnicy 0,5 mm, podobne do piasku, ale o kulistym kształcie.

Chwilowe natężenie przepływu wyprowadzamy ze skomputeryzowanej wagi, która podaje masę spadających cząstek na końcu poziomu w funkcji czasu. Grubość przepływu w górę jest kontrolowana przez regulację otworu zbiornika zasilającego i mierzona w dół od nachylonego arkusza laserowego.

Przy tej konfiguracji zmierzyliśmy stałą szybkość przepływu ziaren tworzących się przez las kolumnowy dla różnych nachyleń stoków, grubości warstw ziarnistych i, co najważniejsze, odległości między kolumnami. Z naszych pomiarów wynika, że ​​prędkość przepływu ziarna rośnie wraz z kątem nachylenia, grubością warstwy i maleje wraz z zagęszczeniem słupów na zboczu.

Co zaskakujące, obecność kolumn zmniejsza prędkość przepływu granulatu w nietrywialny sposób, podczas gdy w przypadku braku kolumn prędkość przepływu granulatu gwałtownie wzrasta wraz z grubością warstwy; Przy dużych gęstościach kolumny prędkość przepływu granulatu staje się praktycznie niezależna od grubości warstwy granulatu. Tym samym obecność kolumn znacząco modyfikuje zależność prędkości przepływu granulatu od parametru eksperymentu.

Następnie opracowaliśmy model teoretyczny, aby zracjonalizować ich obserwacje. Przepływ ziarna jest rozpatrywany w podejściu klasycznym i średniej głębokości mikrometr(I) reologia wprowadzona do opisania gęstych przepływów ziarnistych. Ponadto rozważyliśmy wyrażenie siły wywieranej przez każdą kolumnę na warstwę ziarnistą i dodaliśmy wkład każdej kolumny, aby uzyskać średnie oszacowanie ich wpływu.

Takie podejście daje prognozy, które są zgodne z obserwacjami w szerokim zakresie parametrów badanych w tym projekcie. Oznacza to, że jesteśmy teraz w stanie przewidzieć wpływ wielu przeszkód występujących na ścieżce przepływu ziarnistego. Przenosząc przewidywania tego modelu na lawinę materiału o grubości 1 m przechodzącą przez las drzew o średnicy 20 cm, przewidujemy, że obecność lasu łagodzi lawinę, jeśli odległość między drzewami jest mniejsza niż 3 m. Nasze badania opublikowaliśmy w czasopiśmie Fizyczne płyny przeglądowe.

Badanie to odpowiada pierwszemu etapowi charakteryzowania interakcji między strumieniem granulatu spływającym po zboczu a zestawem przeszkód. Można zbadać kilka punktów, aby poprawić opis interakcji między lawiną a przeszkodami. Powinniśmy wyjść poza uśrednione podejście i zauważyć, jak obecność przeszkód moduluje strumień granularny lokalnie, w jego pobliżu.

Musimy również zbadać wpływ przestrzennego rozmieszczenia filarów na tłumienie strumienia ziarnistego. Innym potencjalnym etapem badań byłoby opisanie wpływu spójności ziarna na globalny przepływ. Te prawdopodobieństwa mają na celu przybliżenie rzeczywistych sytuacji i uwzględnienie spójnych właściwości śniegu i przestrzennego rozmieszczenia drzew w lasach.

Ta historia jest częścią Dialog naukowy Xgdzie badacze mogą przedstawiać wyniki swoich opublikowanych artykułów naukowych. Odwiedź tę stronę Aby uzyskać informacje na temat ScienceX Dialog i sposobu uczestnictwa.