SLF研究所3D 打印積雪模型，研究雪崩發(fā)生機(jī)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(gè)獨(dú)特的寒冷實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的模型是為了模擬風(fēng)對(duì)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(lái)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(xiàng)目中的最新項(xiàng)目。

據(jù)《國(guó)家地理》報(bào)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(shí)，就會(huì)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(gè)不穩(wěn)定的物體脫離斜坡時(shí)，雪崩就會(huì)開始。當(dāng)雪滾下山時(shí)，雪會(huì)變得更快，在移動(dòng)過(guò)程中會(huì)卷起更多的雪，并產(chǎn)生一條快速移動(dòng)的雪河和上升到空中的冰粒云。一場(chǎng)完全發(fā)展的雪崩速度可以超過(guò)每小時(shí)320公里，重量可達(dá)一百萬(wàn)噸，這可能會(huì)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(xiàng)目相關(guān)的第三方基金資助。這個(gè)跨學(xué)科研究機(jī)構(gòu)和服務(wù)中心幫助解決緊迫的社會(huì)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(cè)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(jìn)行基礎(chǔ)和高級(jí)雪崩研究，包括雪崩如何發(fā)生和在地形上移動(dòng)。

他們?cè)诜e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(xiàng)工作大部分發(fā)生在 SLF 的寒冷實(shí)驗(yàn)室中，該實(shí)驗(yàn)室的溫度保持在-20°C，需要研究人員在進(jìn)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(shí)驗(yàn)室中儲(chǔ)存積雪樣本。

研究人員還在實(shí)驗(yàn)室的一間冷室中自己制造雪，在尼龍線上生長(zhǎng)雪晶。他們通過(guò)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(shí)，可能會(huì)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(diǎn)，它是如何工作的以及雪是如何移動(dòng)的。他們使用 X 射線機(jī)檢查雪的微觀結(jié)構(gòu)，在掃描樣本的同時(shí)，樣本也會(huì)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(chǎng)。這里非常緊湊，這實(shí)際上是冰，然后還有非常細(xì)的雪。我們?cè)噲D了解雪層形成時(shí)如何變化。我們稱其為弱層，因?yàn)樗�的力學(xué)不是很穩(wěn)定。只需要一點(diǎn)點(diǎn)，例如滑雪者越過(guò)它，負(fù)載就可以穿過(guò)雪。然后這一層就會(huì)破裂，雪崩就會(huì)滑落�！�

SLF阿爾卑斯群眾運(yùn)動(dòng)研究單位負(fù)責(zé)人Johan Gaume 教授也有需要 3D 打印的計(jì)劃。他的團(tuán)隊(duì)使用基于稱為 MPM（質(zhì)點(diǎn)法）的混合數(shù)值技術(shù)的 3D 模型，對(duì)山區(qū)環(huán)境中發(fā)生的質(zhì)量運(yùn)動(dòng)（包括落石和雪崩）進(jìn)行建模。當(dāng)被問及他最令人驚訝的科學(xué)結(jié)果時(shí)，他解釋說(shuō)，這與“雪板雪崩釋放中的裂紋擴(kuò)展”有關(guān)。

Gaume教授繼續(xù)說(shuō)道：“在比平常更大的規(guī)模進(jìn)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(jìn)行的任何測(cè)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(lái)，具有重要的實(shí)際影響�！�

他所在的單位計(jì)劃使用大型 3D 打印機(jī)來(lái)制造復(fù)雜的 3D 地形，這將使他們能夠完成顆粒流實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)以進(jìn)行模型驗(yàn)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。