SLF研究所3D 打印積雪模型，研究雪崩發(fā)生機理

2023年8月9日，南極熊獲悉，為了更好地了解雪崩是如何引發(fā)的，瑞士阿爾卑斯山度假小鎮(zhèn)達(dá)沃斯一個獨特的寒冷實驗室的研究科學(xué)家正在掃描和3D打印雪的橫截面。全球領(lǐng)先的雪崩研究所（WSL-Institut fürSchnee- und Lawinenforschung SLF）研究團隊創(chuàng)建的模型是為了模擬風(fēng)對新落雪的影響，從而了解容易發(fā)生雪崩的雪層是如何工作的。這只是一系列利用3D打印來研究天氣事件和小行星、地震、火山、山體滑坡等自然災(zāi)害的研究項目中的最新項目。

據(jù)《國家地理》報道，積雪是在山坡等區(qū)域堆積的雪、冰和其他物質(zhì)層，當(dāng)這些層滑落時，就會發(fā)生雪崩。積雪可達(dá)數(shù)十米厚，具體取決于降雪量，并且積雪層具有不同的紋理和厚度。當(dāng)這個不穩(wěn)定的物體脫離斜坡時，雪崩就會開始。當(dāng)雪滾下山時，雪會變得更快，在移動過程中會卷起更多的雪，并產(chǎn)生一條快速移動的雪河和上升到空中的冰粒云。一場完全發(fā)展的雪崩速度可以超過每小時320公里，重量可達(dá)一百萬噸，這可能會導(dǎo)致相當(dāng)致命的情況。

SLF是瑞士聯(lián)邦研究所WSL的一部分，因此屬于蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院范疇，成立于1936年，擁有員工180名，由瑞士政府和與項目相關(guān)的第三方基金資助。這個跨學(xué)科研究機構(gòu)和服務(wù)中心幫助解決緊迫的社會問題，例如分析山區(qū)的環(huán)境和氣候變化，并在每日兩次的雪崩公告中向人們發(fā)出自然災(zāi)害警告。它還監(jiān)測和研究自然災(zāi)害、山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)、雪和永久凍土的起源、演變和狀況，并進行基礎(chǔ)和高級雪崩研究，包括雪崩如何發(fā)生和在地形上移動。

他們在積雪研究中的主要目標(biāo)之一是確定積雪在各種條件下如何積聚和變化，以便了解滑雪板等材料如何最好地在積雪上滑行，以及積雪中的薄弱層如何形成和破裂，從而導(dǎo)致雪崩。這項工作大部分發(fā)生在 SLF 的寒冷實驗室中，該實驗室的溫度保持在-20°C，需要研究人員在進入內(nèi)部之前穿好衣服。SLF 媒體官員 Martin Heggli表示他們可以在實驗室中儲存積雪樣本。

研究人員還在實驗室的一間冷室中自己制造雪，在尼龍線上生長雪晶。他們通過風(fēng)洞了解風(fēng)如何輸送雪。當(dāng)風(fēng)卷起雪并將其沉積在其他地方時，可能會導(dǎo)致雪崩，正如黑格利解釋的那樣，他們想更好地了解這一點，它是如何工作的以及雪是如何移動的。他們使用 X 射線機檢查雪的微觀結(jié)構(gòu)，在掃描樣本的同時，樣本也會被旋轉(zhuǎn)以生成 3D 圖像，然后用于創(chuàng)建大型 3D 打印件。

Heggli解釋道：“在這里我們看到有非常不同類型的雪，就像這一場。這里非常緊湊，這實際上是冰，然后還有非常細(xì)的雪。我們試圖了解雪層形成時如何變化。我們稱其為弱層，因為它的力學(xué)不是很穩(wěn)定。只需要一點點，例如滑雪者越過它，負(fù)載就可以穿過雪。然后這一層就會破裂，雪崩就會滑落�！�

SLF阿爾卑斯群眾運動研究單位負(fù)責(zé)人Johan Gaume 教授也有需要 3D 打印的計劃。他的團隊使用基于稱為 MPM（質(zhì)點法）的混合數(shù)值技術(shù)的 3D 模型，對山區(qū)環(huán)境中發(fā)生的質(zhì)量運動（包括落石和雪崩）進行建模。當(dāng)被問及他最令人驚訝的科學(xué)結(jié)果時，他解釋說，這與“雪板雪崩釋放中的裂紋擴展”有關(guān)。

Gaume教授繼續(xù)說道：“在比平常更大的規(guī)模進行模擬之后，我們感到驚訝：薄弱層的斷裂速度比迄今為止進行的任何測量都要快，我們認(rèn)為我們的代碼有問題！但我們沒有這樣做，最終我們明白了發(fā)生了什么。令人高興的是，這一結(jié)果將相互矛盾的理論統(tǒng)一起來，具有重要的實際影響�！�

他所在的單位計劃使用大型 3D 打印機來制造復(fù)雜的 3D 地形，這將使他們能夠完成顆粒流實驗，收集數(shù)據(jù)以進行模型驗證，并更多地了解顆粒流以及它們?nèi)绾闻c各種地形特征相互作用。