Горный туризм

Прогноз непредсказуемого

Вычислительная техника позволяет обрабатывать большие массивы информации; именно поэтому она и была использована для статистико-эмпирических методов прогноза лавин. Смысл этого подхода к решению проблемы прогноза заключается в том, что с помощью компьютера производится анализ многочисленных данных за ряд прошедших лет наблюдений. Для каждого дня, независимо от того, была в этот день лавина или нет, отбираются все метеорологические данные и сведения о состоянии снежного покрова, которые так или иначе могут повлиять на возникновение лавины любого типа — при снегопаде или метели, в результате появления ослабленного слоя, выпадения дождя, снеготаяния и т. п. Это может быть следующий набор показателей: температура воздуха — максимальная, средняя суточная; влажность воздуха — тоже в разных вариантах; интенсивность снегопада; толщина снежного покрова и т. д. Таких показателей могут быть десятки. Все эти сведения вводятся в компьютер; при этом их разделяют по крайней мере на два класса — дни с лавинами и без них. Компьютер проводит статистические тесты, которые известны как дискриминантный анализ, то есть анализ опознавания, с целью выявления тех метеорологических данных и сведений о снежном покрове, которые наилучшим образом различают выделенные классы дней.

Это похоже на опрос свидетелей для составления фоторобота преступника по словесному портрету. Подобно тому, как от качества и количества свидетельских показаний зависит сходство фоторобота с истинным лицом преступника, так и оправдываемость прогноза лавин методом опознавания зависит от количества и качества вводимых исходных данных. В начале разработки прогноза обычно используют максимальное количество данных, но затем определяют информативность каждого метеорологического или снежного показателя, и если роль того или иного из них в повышении оправдываемости прогноза оказывается незначительной, то его исключают из рассмотрения. В то же время исследователи стараются найти новые, более информативные показатели для выделения класса дней с лавинами.

В память электронно-вычислительной машины вводят также комбинации данных, например, за каждый день и за предшествующие 1, 2, 3 или 4 дня, или в каких-то других сочетаниях. Это помогает выяснить, какие сочетания дают более четкое разделение между днями со сходом лавин и без них, и позволяет увеличить заблаговременность прогноза.

Число классов, на которые разделяются дни, можно увеличить, вводя, например, три класса: дни без лавин, дни с сухими лавинами и дни с мокрыми лавинами. Такое разделение как раз и позволяет прогнозировать лавины, обязанные своим происхождением взаимодействию снега со свободной водой. Дни с сухими лавинами, в свою очередь, можно разделить на два класса — дни с лавинами во время снегопадов и метелей и дни с прочими сухими лавинами. Последний класс — это в основном дни с лавинами, обусловленными возникновением в снежном покрове ослабленных слоев.

Анализ информативности показателей, или предикторов, используемых для прогноза лавин (метеорологические данные и сведения о снежном покрове), говорит о том, что хорошим предиктором мокрых лавин является максимальная температура воздуха за несколько часов до схода лавины. Для класса дней с лавинами, обусловленными возникновением ослабленной прослойки, хорошим предиктором служит температура воздуха за длительные (вплоть до нескольких недель) сроки.

Статистико-эмпирический прогноз позволяет предвидеть начало лавинной опасности только для исследуемого района, а не для каждой отдельной лавины, то есть это тоже фоновый прогноз времени наступления лавинной опасности.

Прогноз лавин методами опознавания используется Высокогорным геофизическим институтом Госкомгидромета в Приэльбрусье, снеголавинными станциями в горах Средней Азии и лавинной службой производственного объединения „Апатит". В Соединенных Штатах этот метод впервые применил Ричард Армстронг из Института арктических и альпийских исследований Университета штата Колорадо. Метод был проверен в последующие годы и дал хорошие результаты: прогноз оправдался в 80 % случаев. Все-таки фоторобот еще не сам преступник. Однако 80 % — довольно высокий показатель.

Прогноз методом опознавания можно улучшить и сделать его более надежным, вводя новые „улики" — предикторы, которые лучше отражают процесс возникновения лавин. Такими предикторами могут быть скорости протекания как метеорологических процессов, так и преобразований в снежном покрове. Возможно, положительную роль сыграет введение показателей, характеризующих рельеф лавиносборов.

Прогноз лавин существенно отличается, от метеорологического или гидрологического прогноза. Если прогноз града или катастрофического наводнения не оправдался, то этих явлений уже нельзя ожидать. А вот если не сошли запрогнозированные лавины, то это совсем не означает, что они еще не сойдут. Состояние снежного покрова может быть таким близким к критическому, что достаточно просто появления человека в опасной зоне и создания тем самым дополнительной нагрузки, чтобы произошла катастрофа. Не раз бывало, что от громкого крика или выстрела, грохота проезжающей автомашины или рева вертолета, брошенного камня или даже подрезки лыжами пласта со склонов срывалась лавина, которая, оказывается, висела „на волоске". Не зря говорит альпийская пословица: „Если не повезет, то и от горсти снега погибнешь".

Есть и еще одно существенное отличие. В Альпах швейцарские и французские лавинщики на основе наблюдений в районе Парсенн начиная с 1960 года проверили несколько статистико-эмпирических методов прогноза. Оказалось, что лавиноопасная ситуация развивается за очень короткий промежуток времени — несколько дней или даже часов. Это означает, что лавинный прогноз всегда должен иметь небольшую предельную заблаговременность — несколько часов или дней. На больший срок прогноз этим методом невозможен. Поэтому прогноз за часы до схода лавин следует считать краткосрочным, за сутки - двое — среднесрочным, а заблаговременность больше двух суток — уже долгосрочный прогноз.

Вот таким способом, избежав трудностей определения прочности многоликого снега, опираясь в значительной степени на обычные стандартные данные сети метеорологических станций, при полном отсутствии сколь - нибудь надежных прогнозов погоды в горах лавинщики предсказывают то, что кажется в таких условиях совершенно непредсказуемым — лавины.

Правомерно задать вопрос: а как же все-таки обстоит дело с прогнозом конкретной лавины в определенном лавиносборе? Ответ прост: пока момент схода лавины в определенном месте никто не предсказывает. Это при существующих методах невозможно. Здесь лавинщики находятся в начале пути. Одна из трудностей на этом пути — отсутствие возможности наблюдать за изменениями в снежном покрове прямо в зоне зарождения лавины: приборов для дистанционного наблюдения нет, а правила безопасности категорически запрещают вход в опасную зону (впрочем, никакой нормальный лавинщик и не пойдет туда). Но есть и принципиальные трудности.

Несмотря на уже достаточно многочисленные экспериментальные и теоретические исследования метаморфизм сухого снежного покрова не имеет законченной количественной теории; казалось бы, такой доступный, такой всем знакомый снег тщательно хранит свои тайны. Остаются открытыми даже некоторые качественные вопросы. Например, при метаморфизме, обусловленном температурным градиентом, перенос пара объясняют его диффузией от более теплых зерен к более холодным, где давление пара ниже. Но, возможно, механизм переноса заключается в передвижениях пара из более теплого слоя в более холодный по почти, вертикальным каналам имеющимся в снегу в результате случайного распределения пор. А возможно, сочетаются и тот, и другой механизмы. Не исключен и такой вариант переноса пара: вентиляция пористого снега в результате существования у поверхности грунта легкого теплого воздуха, а в верхних слоях снега — холодного и тяжелого. Теплый воздух, насыщенный водяным паром, поднимается вверх, а холодный и бедный паром — опускается вниз. За счет этого и идет перенос вещества из нижних горизонтов и их -разрыхление. Мало кто из исследователей пытался выявить роль ветра в метаморфизме сухого снежного покрова, а также влияние конденсации влаги из воздуха в верхних слоях снега и испарения с его поверхности. Совершенно недостаточно изучена роль слоистости, особенно плотных и ледяных корок в процессе метаморфизма. Последние могут работать как „запирающие клапаны", перекрывающие перенос вещества между слоями.

Уже не раз подчеркивалось, что нет надежных методов для определения прочностных характеристик снега — его сопротивления сдвигу, разрыву и сжатию. Особенно трудно определять их у рыхлого сухого и мокрого снега. Образцы этого снега при приложении к ним нагрузки частично деформируются и рассыпаются, поэтому результаты опытов характеризуют не реальный снег, а какой-то другой, подвергшийся искусственным изменениям.

Оказалось, что наиболее надежно определяемые характеристики прочности существенно меняются по площади даже в пределах нескольких метров, хотя образцы для их определения отбираются из одного и того же слоя. Наконец, многие определения свидетельствуют о том, что закон о выражении сопротивления сдвигу в виде суммы сил сцепления и внутреннего трения, как это установлено для грунтов, к снегу неприложим.

Остается неразгаданной и еще одна из лавинных загадок: в достаточной мере представляя спусковые механизмы лавин, исследователи практически не наблюдали самого момента рождения естественной лавины. Хорошо известно, что все лавины начинают свое движение или „из точки", то есть в результате нарушения устойчивости очень малого объема снега, или „от линии", то есть в результате нарушения устойчивости значительного по площади и объему пласта снега (рис. 7). В первом случае образуются лавины из рыхлого снега, во втором — из снежных досок.

Движение лавин из рыхлого снега начинается на поверхности: обычно сдвигается небольшой объем — меньше одного кубического метра. Чем более рыхлый снег, чем меньше, соответственно, связей между кристаллами, тем меньший объем снега начинает движение. В „диком" снеге начало движения возможно даже с единичного снежного зерна, если оно при этом развивает достаточно энергии, чтобы привести в движение два или три соседних, и тем самым дать толчок лавинному процессу. Неустойчивость локальных участков снежного покрова возникает в результате его неравномерного отложения и по-разному идущих в нем изменений даже на сравнительно небольшом участке. Локальные участки неустойчивости могут возникать при снегопадах, под воздействием нагрева от солнечных лучей, порывов ветра, падения на снег камней и комьев снега. И все же почти никто не наблюдал, как начинается первое движение неустойчивого участка при начале естественной лавины, как происходит сам момент ее рождения.

Лавина из снежной доски, или лавина от линии, начинается с образования трещины и дальнейшего растрескивания снежного покрова. Трещины распространяются с большой скоростью. Чтобы снежная доска сошла в виде лавины, вся она должна быть опоясана трещиной. Верхняя часть такой трещины называется линией, или ступенью, отрыва, она обычно перпендикулярна снежной поверхности. Слева и справа образуются боковые, или фланговые, трещины, или ступени. В нижней части трещина образует подпорную ступень.

Растрескивание снежной доски — только видимый результат других механизмов, которые действуют в момент потери снежной доской устойчивости. Снежная доска, лежащая на склоне, всегда напряжена. В зависимости от формы подстилающей снег поверхности, ее микрорельефа, толщины снежного покрова, контура и толщины подстилающего ослабленного горизонта в доске возникают зоны сжатия и растяжения. Может быть по крайней мере три варианта механизма нарушения устойчивости. При первом снежная доска сначала сдвигается по плоскости ослабленного слоя, а уже потом образуются линия отрыва, подпорная ступень и боковые трещины. При втором варианте — сначала образуется трещина на лилии отрыва и лишь затем — сдвиг доски по ослабленному слою. Наконец, при третьем варианте снежная доска проседает на ослабленном горизонте, сминая и разрушая этот слой; в это же время, образуются опоясывающие ее трещины, а потом начинается движение.

Однажды мне случилось видеть момент отрыва снежной доски. Как-то в верховьях реки Майликатан в Западном Тянь-Шане из-за небольшого перегиба склона я рискнул ступить на более крутой его участок, покрытый сероватой, очень плотной, снежной доской, присыпанной местами белоснежными пятнами свежего метелевого снега. Достаточно было сделать один шаг по ее поверхности, как вдруг она явственно стала прогибаться и оседать. Прыжок вверх — к чахлому деревцу арчи, растущему на бровке перегиба, верхушка которого торчала из-под снега. Чуть выше того места, где в метелевом белоснежном наносе четко отпечатался след сапога, в серой снежной доске с шипеньем раскрылась трещина, другие трещины пронзили осевший пласт, и снежные плиты, сначала как бы присев, устремились вниз.

Вот пример другого нарушения устойчивости снежной доски на склоне: „При подходе к месту закладки взрывчатки один из лавинщиков, — пишет А. И. Королев, сотрудник одной из лавинных станций на Тянь-Шане,— подошел к перегибу склона, который в этом месте был совершенно свободен от растительности, и осторожно ступил на склон. Мгновенно поперек склона в обе стороны от ноги с небольшим шумом протянулась трещина длиной до 25 метров. Мягкая снежная доска пришла в движение по всему склону вплоть до тальвега... За считанные мгновения ненарушенная поверхность снега оказалась пронизанной десятками трещин, разбивших цельное поле на множество отдельных плит со сторонами от 0,5 до 0,2 метра. Было четко видно, что трещины распространялись сверху вниз, но не возникали повсеместно одновременно. Сразу после растрескивания приходили в движение сначала верхние, затем последовательно нижние части доски".

Остается пока неизвестным, какой из описанных выше механизмов реализуется чаще и какие условия необходимы, чтобы движение началось с того или иного нарушения неустойчивости. Можно только предположить, что дополнительная нагрузка в виде тяжести человеческого тела или выпавшего на доску нового снега скорее вызовет просадку; дальнейшее ослабление разрыхленного слоя или проникновение туда воды повлечет за собой сдвиг доски. Опытные лавинщики не раз замечали, что в ясные морозные дни лавины из снежных досок иногда сходят после полудня, когда снежные склоны уходят в тень. В тени нагретая до этого солнцем верхняя толща снега быстро охлаждается, в результате чего в ней возникает дополнительное напряжение и она становится более хрупкой. При таком варианте первоначально может образоваться трещина на линии отрыва. Существует предположение, что снег, находящийся на склоне в условиях длительных меняющихся напряжений, со временем ослабевает — создается нечто типа „усталости" снега, и это одна из причин образования лавин. Сейчас эта идея находит подтверждение в исследованиях, проведенных в Канаде Перла и Макклангом. В этом случае также возможно начало движения с образования ступени отрыва.

Похоже, что момент отрыва лавины в данном конкретном месте — явление в значительной степени случайное, а поэтому его трудно предсказать.

Есть лавины, о которых исследователи продолжают спорить, например, такие лавины, которые сходят на следующий, второй и даже третий день после снегопада или метели. Некоторые лавинщики, правда, уверяют, что таких лавин нет и быть не может! Во всяком случае, именно это подсказывает им опыт работы в конкретном районе. Вопрос о спусковом механизме таких лавин пока остается открытым.

Предполагается, что некоторые лавины обязаны своим происхождением изменениям температуры воздуха. При этом допускаются разные механизмы их отрыва. В одних случаях — это уменьшение прочности снежного покрова в результате повышения его температуры при потеплениях; в других, наоборот, сход лавин объясняют охлаждением снежного покрова при похолоданиях. В результате он становится очень жестким и при значительных напряжениях слои снега гасят эти напряжения не деформациями в объеме пласта, а растрескиванием поверхности и последующим сходом лавины. Наконец, сход лавин при понижении температуры объясняют сжатием пласта снега (как это происходит с большинством материалов). В сжимающемся снежном пласте возникают большие напряжения, приводящие к его разрыву в тех местах, где и без того имеется большое напряжение, обязанное своим появлением существованию составляющей силы тяжести, направленной вдоль склона. Задача прогноза подобных лавин пока во многом остается нерешенной, а сам механизм образования экспериментально не доказан.

И все же есть путь, который, возможно, приведет к раскрытию тайны рождения лавин. Снег, лежащий на склоне, непрерывно деформируется, ползет, оседает, скользит по грунту, при этом зерна трутся друг о друга, ломаются, связи между ними разрушаются, все это не может не вызвать колебаний разной частоты. Значит, снег звучит — он имеет свой голос.

Эксперименты подтвердили, что снег, находящийся в напряженном состоянии, в результате деформации и разрушений связей между кристаллами действительно генерирует звуки высокой частоты порядка первых сотен килогерц. Возрастание эмиссии ультразвуковых колебаний может свидетельствовать о приближении момента нарушения устойчивости. Некоторые эксперименты говорят об усилении „голоса" за 5—14 часов до схода лавины. Надо сказать, что подобный метод — прослушивания неслышимых человеческому уху звуков — уже применяется для предсказания возможного разрушения металлических сооружений — труб, котлов, нефтяных емкостей. Разработанная для этого аппаратура позволяет не только услышать звуки „тревоги", вызываемые повышенным напряжением, но в отыскать участки, где концентрация напряжений может привести к разрушению металла.

Подвижка значительных снежных масс вызывает колебания другого тона, близкие к сейсмическим порядка нескольких десятков герц. Эксперименты показали, что начало движения лавины из снежной доски регистрируется геофоном, датчиком сейсмических колебаний, в виде резкого сигнала, затем наступает короткий период затишья — около 0,5 секунды, и далее идет постепенное нарастание сигнала. Лавина из рыхлого снега характеризуется только постепенным нарастанием сигнала.

Сама движущаяся, лавина тоже „звучит", но уже на частоте радиосигналов — порядка тысяч и больше килогерц. Это звучание можно улавливать с помощью антенн. Такой „радиослед" позволяет не только регистрировать момент схода лавин, но и методом радиопеленгации определять место ее схода в горах и, наконец, по продолжительности „радиозвучания" лавины рассчитывать потом среднюю скорость ее движения от момента отрыва до момента остановки.

Исследования голоса снега и голоса лавин пока еще сопряжены со множеством сложностей как технического порядка, так и связанных с расшифровкой сигналов, потому что существует, например, сейсмический фон, на котором надо выделить полезный сигнал, существует звуковой фон сложнонапряженного снежного покрова. Первые эксперименты с геофонами чуть было не загубили всю идею, так как первоначально выделенные исследователями „лавинные" всплески колебаний отражали, как затем выяснилось, вовсе не моменты отрыва лавин, а прохождение тяжелых автомашин по ближайшему шоссе.

Если научиться слушать снег и понимать его язык, то можно многое узнать о его тайнах. Но и сейчас, не вникая во все премудрости зарождения лавин, можно сформулировать одно простое правило, полезное всем, кто бывает в горах: остерегайтесь лавин во время и сразу после резкой смены погоды.