Un tesoro di dati dal Cervino

Nella calda estate del 2003, sul Cervino si è verificata una caduta di massi che ha stupito sia il pubblico che i ricercatori: sull'Hörnligrat sono crollati 1500 metri cubi di roccia, pari al volume di due case unifamiliari. Nella roccia scoscesa c'era una fessura ricoperta di ghiaccio. Gli esperti si sono subito resi conto che il caldo record aveva riscaldato la roccia a grandi profondità e sciolto il ghiaccio contenuto nei pori e nelle fessure. Di conseguenza, il cemento che teneva insieme le masse rocciose era improvvisamente scomparso.

Questa frana è stata il punto di partenza del progetto PermaSense, un insolito progetto di ricerca interdisciplinare che ha coinvolto geoscienziati e ingegneri dell'ETH di Zurigo e di altre istituzioni, tra cui le Università di Zurigo e Basilea. Il progetto è iniziato nel 2006 con l'obiettivo di consentire misurazioni e osservazioni che all'epoca non erano possibili. I ricercatori volevano utilizzare attrezzature e tecnologie all'avanguardia per raccogliere dati di misura nel permafrost ripido in quantità e qualità senza precedenti.

I ricercatori non solo hanno avuto successo, ma hanno superato di gran lunga il loro obiettivo, come riferiscono ora nella rivista scientifica "Earth System Science Data". Lo studio descrive una serie unica di dati ad alta risoluzione della durata di 10 anni che gli scienziati hanno raccolto in alta montagna sull'Hörnligrat del Cervino, a 3.500 metri sul livello del mare. 17 diversi tipi di sensori distribuiti in 29 punti della cresta e del punto di distacco hanno fornito 115 milioni di singoli punti di dati.

"Questo set di dati è probabilmente uno dei più lunghi, densi e diversificati nella storia della ricerca sul permafrost", afferma non senza orgoglio Jan Beutel, ricercatore senior presso l'Istituto di informatica e reti di comunicazione dell'ETH di Zurigo. Beutel è stato ed è la forza trainante del progetto.

Utilizzando una tecnologia di sensori wireless all'avanguardia, i ricercatori sono riusciti a ottenere una grande quantità di dati di alta qualità, rendendoli disponibili quasi in tempo reale e monitorando e controllando con precisione gli esperimenti in corso. "L'analisi combinata di misure a lungo termine provenienti da diversi sistemi di misurazione porta a un approfondimento dei processi che possono portare alla destabilizzazione delle pareti rocciose", afferma Samuel Weber, partner del progetto Beutel e attualmente ricercatore post-dottorando presso l'Università Tecnica di Monaco.

La rete di sensori comprende una fotocamera reflex automatica che scatta foto del sito di demolizione ogni due minuti; sono incluse anche misure di distanza nelle fessure della roccia (crackmetri), che misurano l'allargamento delle fessure e lo spostamento dei massi l'uno rispetto all'altro. Le temperature vengono misurate a varie profondità della roccia, ma anche in superficie. Inclinometri e sensori GPS misurano costantemente l'inclinazione delle singole teste di roccia e dell'intera cresta. Negli ultimi anni, i ricercatori hanno aggiunto alla loro famiglia di sensori anche dispositivi di misurazione sismica e acustica.

I dati di misurazione vengono trasmessi via radio dall'Hörnligrat al Klein Matterhorn e da lì via internet a un centro di calcolo dell'ETH di Zurigo praticamente in tempo reale. Lì vengono raccolti, analizzati e valutati, ormai da 10 anni in modo permanente e quasi ininterrotto, estate e inverno, a qualsiasi ora del giorno.

Misurare la risonanza delle rocce

"Negli ultimi tre anni della campagna di misurazione, la sismologia in particolare ci ha permesso di misurare ciò che volevamo fin dall'inizio: La caduta massi e le frane. Siamo stati in grado di riconoscere i modelli nei segnali provenienti dalla montagna che rendono questi eventi quantificabili", afferma Beutel.

Con l'aiuto dei sensori sismici, sono riusciti a registrare molti eventi - come la formazione inizialmente invisibile di crepe nelle rocce - che i sensori precedenti non erano in grado di rilevare. "I sensori sismici registrano molto di più e offrono densità di informazioni e possibilità di analisi che prima non potevamo immaginare", spiega l'ingegnere elettrico. Lo svantaggio di questi sensori è che richiedono cavi, più elettricità e pozzi più profondi, che devono prima essere perforati. Inoltre, registrano segnali che non provengono dalla montagna, come i passi degli scalatori che si dirigono verso la vetta.

Segnali di interferenza dagli alpinisti

I ricercatori hanno dovuto innanzitutto rimuovere questo rumore di fondo dai dati utilizzando algoritmi di apprendimento automatico e intelligenti, che sono stati programmati direttamente nei sensori wireless dai dottorandi dell'ETH attualmente coinvolti nel progetto. Per verificarlo, hanno anche alimentato gli algoritmi con i dati di occupazione della Hörnlihütte, dove gli scalatori del Cervino trascorrono la notte. I dati di occupazione servono a indicare quando le persone viaggiano sulla montagna e quali "segnali di interferenza" emettono.

L'analisi dei dati sismici così ripuliti ha mostrato a Beutel un quadro interessante: "Le vibrazioni di risonanza che si verificano nelle rocce variano notevolmente nel corso dell'anno", a causa del disgelo e del congelamento della montagna. Molte fessure e crepe sono riempite di ghiaccio e sedimenti. Questa miscela è congelata e dura come una roccia in inverno. In estate si scongela e il legame nelle fessure cambia. Di conseguenza, la parte libera della roccia diventa più grande e la roccia vibra a una frequenza inferiore. Viceversa, in inverno: Qui vibra a una frequenza più alta.

"Funziona come una chitarra: a seconda di dove si impugna il manico, si modificano le lunghezze di vibrazione delle corde, producendo toni diversi", spiega Beutel.

Le vibrazioni preannunciano la caduta di massi?

Cambiamenti bruschi e molto rapidi in questi modelli di vibrazione indicherebbero che la stabilità di una sezione di roccia è cambiata rapidamente, dice Beutel. Se le frequenze si abbassano rapidamente, ciò potrebbe significare che un sistema di crepe esistente si è notevolmente approfondito o aperto. E questo significa un aumento del rischio di una caduta massi o di un crollo.

"Quindi possiamo usare le misurazioni sismiche e acustiche, insieme a quelle dell'ampiezza delle fessure e alle fotografie del sito di studio, per mappare in modo abbastanza preciso come sta cambiando il permafrost e fare previsioni su dove potrebbe accadere qualcosa", dice Beutel, "credo che questo sia uno dei migliori risultati che abbiamo ottenuto nell'ambito di PermaSense".

Grazie al partner di progetto Samuel Weber, che negli ultimi tre anni ha completato la sua tesi di dottorato sull'argomento presso l'Università di Zurigo, Beutel ha potuto contare anche sul coinvolgimento del Servizio Sismologico Svizzero, guidato dal professor Donath Fäh dell'ETH, che ha contribuito con la sua esperienza in sismologia.

Rottura improvvisa di fessure

La campagna di misurazione sul Cervino non è ancora terminata. Continuerà per il momento. Beutel vorrebbe trasferire l'esperienza di "Horu" ad altri progetti. Le conoscenze tecniche e geologiche acquisite potrebbero essere utilizzate per prevedere le catastrofi naturali in luoghi critici su terreni scoscesi o in montagna. Egli vede una possibile applicazione al Piz Cengalo in Bregaglia, ad esempio. Nell'estate del 2017 si è verificata un'enorme frana di diversi milioni di metri cubi che ha causato la morte di diverse persone. La conseguente colata detritica ha distrutto parte del villaggio di Bondo. Gli esperti prevedono che su questa montagna si verificheranno altre cadute di massi. Per questo motivo stanno monitorando la montagna 24 ore su 24 con il radar. Tuttavia, non sono ancora state effettuate misurazioni in situ.

Beutel potrebbe immaginare di installare e gestire una rete di sensori come quella sul Cervino al Pizzo Cengalo. Chi siamo lo vede come un'opportunità unica per imparare di più sui processi del permafrost ripido, in particolare sui meccanismi che rendono instabile la roccia ghiacciata e ne causano il crollo. "In definitiva, vorremmo utilizzare sensori in rete come quelli che abbiamo sviluppato in molti anni di lavoro interdisciplinare per prevedere i rischi naturali".