Роль экзогенных геоморфологических процессов в формировании природных катастроф

Лавина – это пришедшие в движение на склоне массы снега. "Лавины - неприхотливейшие существа: для того чтобы вызвать  их к жизни, нужны лишь снег да горы с подходящими  склонами. Снег для лавин - манна небесная, единственный источник  пищи. Во время снегопада  он собирается в лавиносборе,  на самой  верхотуре,  чтобы  затем выбрать подходящий  момент, ринуться  со страшной скоростью  по  лотку вниз и образовать на  месте схода лавинный конус мощностью иной раз в несколько десятков метров. "(5).

Пушистое снежное покрывало в горах только издали выглядит безобидным. Австрийский исследователь Матиас Здагарский  сказал про это: "Невинный на вид белый снег – это не волк в овечьей шкуре, а тигр в шкуре ягненка". "Подходящие" склоны для лавин имеют крутизну 15-45 градусов. На более пологих склонах снег стекает постепенно, а на более крутых не задерживается. Лавинный лоток – желоб на склоне, по которым сходят лавины (как правило, они сходят по одному и тому же пути).

Участок горного склона и дна долины, на котором образуется, движется и останавливается  лавина, называется лавиносбором. Вверху находится лавинный очаг – место зарождения, а ниже – русло и конус выноса лавины.(рис.1)

В зоне зарождения лавина набирает силу, захватывает первые порции снега со склона и быстро превращается в бурный поток, все сметающий на своем пути. В зоне транзита она несется она несется вниз по склону, все более наращивая массу, ломая кусты и деревья. Постепенно движение замедляется, массы снега нагромождаются в виде лавинного конуса выноса. Здесь формируется зона отложения лавины. В зоне отложения образуются снежные конусы толщиной от 5 до 30 м, а иногда и больше. Зимой 1910/11г. лавина с хребта Бзыке на Кавказе оставила в ущелье р. Белой завал толщиной в 100 м. Снег  в нем стаивал несколько лет.

Большинство катастрофических лавин возникало после многодневных обильных снегопадов, перегружавших склоны. Уже при интенсивности снегопада 2 см/ч, длящемся до 10 часов подряд возникает лавинная опасность. Свежеотложенный снег нередко бывает  несвязанным и сыпучим, как песок. Такой  снег легко порождает лавины. Лавинная опасность многократно возрастает, когда снегопады сопровождаются ветром. При сильном ветре на поверхности снега формируется ветровая , или снежная, доска – пласт мелкозернистого снега большой плотности, который может достигать в толщину несколько десятков сантиметров. Обручев назвал такие лавины "сухими": "они срываются зимой после сильного снегопада без оттепели, когда надувы снега на гребнях и крутых склонах достигают такого размера, что сотрясение воздуха от порыва ветра, выстрела, даже громкого крика вызывает их отрыв. Последний очень облегчается, если свежий снег ложится на гладкую, схваченную после оттепели морозом поверхность старого снега. Эти лавины летят вниз и одновременно наполняют воздух снеговой пылью, образующей целую тучу."(2)(рис.3)

В отсутствии снегопадов снег постепенно "созревает" для порождения лавин. С течением времени снежная толща постепенно оседает, что приводит к ее уплотнению. Источниками лавинной опасности служат ослабленные слои, в которых формируются слабо связанные кристаллы глубинной изморози. Она-то и разъедает нижний слой снежного покрова, подвешивая верхнюю толщу.

Состояние снежного покрова резко изменяется, когда в нем появляется вода, которая значительно ослабляет прочность снега. При резком таянии или интенсивном дожде  структура толщи быстро разрушается, и тогда формируются грандиозные "мокрые" лавины. Они сходят весной на обширных территориях, иногда захватывая весь снег, накопившийся за зиму. Их еще называют грунтовыми, потому что они движутся прямо по грунту и сдирают почвенный слой, камни, куски дерна, кусты и деревья. Это очень тяжелые лавины.

Снег, лежащий на склоне, приходит в движение под действием силы тяжести. До поры до времени силы сопротивления сдвигу (сцепление снега  с нижними его слоями или грунтом и сила трения) удерживают снег на склоне. Кроме того, смещению пласта мешает снежный покров, расположенный ниже, и удерживает тот, который лежит выше.  Снегопад или метель, перекристализация снежной пер толщи, появление в толще жидкой воды ведет к перераспределению сил, действующих на снег.

Снегопад  перегружает склоны снегом, и силы, удерживающие снег не поспевают за нарастанием силы тяжести, стремящейся его  сдвинуть. Перекристализация ослабляет отдельные горизонты, уменьшая удерживающие силы. Быстрое таяние снега из-за повышения температуры или промачивание снега дождем резко ослабляет связи между снежными зернами,  тоже снижая действие удерживающих сил.

Чтобы лавина стронулась с места, ей нужен первый импульс. Таким спусковым механизмом выступают обильные снегопады или сильные метели, потепление, теплый дождь, срезание снега лыжами, вибрация от звуковой или ударной волны, землетрясения.

Лавины начинают свое движение или "из точки" (при нарушении устойчивости очень малого объема снега), или "от линии"( при нарушении устойчивости сразу значительного пласта снега). (рис.2). Чем снег рыхлее, тем меньше его надо для начала лавины. Движение начинается буквально с нескольких частиц.  Лавина из снежной доски начинается с растрескивания снежного покрова. Узкая трещина быстро разрастается, от нее рождаются боковые расщелины, и вскоре снежная масса отрывается и несется вниз.

Длительное время лавину представляли в виде снежного кома, который летит вниз по склону и увеличивается за счет налипания новых порций снега (так изображали лавину почти все древние гравюры). Шаром лавину представляли вплоть до XIX в. Многообразие снежных лавин и многоликость форм ее движения затрудняли понимание физики лавин. Лавина относится к многокомпонентным потокам, т.к. состоит из снега, воздуха и твердых включений. Физика таких потоков очень сложна.

Формы движения лавины разнообразны. В ней могут катиться снежные катыши, скользить и вращаться снежные комья и обломки снежной доски, может течь, как вода, сплошная масса снега или подниматься  в воздух снегопылевое облако. Разные виды движения дополняют друг друга, переходят один в другой на разных участках той же самой лавины. Фронт лавины движется быстрее ее основного тела из-за обрушения снежного покрова пред фронтом от удара лавины. Так в лавину включаются все новые порции снега, в то время как в хвостовой части скорости падают. На гребнях волн, возникающих на поверхности  движущейся лавины, то и дело появляются каменные обломки, что говорит о сильном турбулентном перемешивании в теле лавины.

По мере выполаживания склона тело лавины замедляет свое движение. Тело лавины растекается по поверхности конуса. Останавливающийся снег быстро отвердевает, но продолжает еще некоторое время двигаться под напором хвостовой части лавины, пока лавина окончательно не успокоитсяя.

Скорость лавин меняется в пределах – от 115  до 180 км/ч, иногда достигая 400 км/ч.

Лавины обладают огромной ударной силой, легко разнося в щепы деревянные дома. Лобового удара не выдерживают и бетонные здания. Если лавина не может разрушить дом, она выдавливает двери и окна и заполняет снегом нижний этаж. Лавина не щадит ничего, что встречает на ее дороге. Она скручивает металлические мачты электропередачи, сбрасывает с дороги автомашины и трактора, превращает в груду металлолома паровозы и тепловозы (в  1910  году в Каскадных горах (США) в районе перевала  Стивенс лавина обрушилась на пассажирский поезд и разнесла  его в щепки. Погибло около 100 человек). Она засыпает дороги слоем многометрового плотного, как лед, снега. Она сносит сразу по много гектаров леса, не выдерживают и столетние деревья. (рис.4)

Особенно сильное ударное действие оказывают прыгающие лавины ( если на пути снежного обвала оказывается обрыв или крутой перегиб склона, лавина "прыгает" с него и некоторое время проносится по воздуху). В месте приземления лавины возникают ямы выбивания. В Новозеландских Альпах  в подобных котловинах обнаружено 16 озер площадью от 200 до 50 тыс. м2. Все они находятся у основания крутых лавинных лотков.

Чтобы правильно спроектировать  противолавинные сооружения, надо измерить силу удара. Еще в 30-х годах в нашей стране для этого использовался буфер железнодорожного вагона с мощной пружиной,  который закреплялся на пути лавины. Величина сжатия пружины при ударе фиксировалась металлическим стержнем. В Швейцарии на пути лавин устанавливали щит, с обратной стороны которого находился стальной заостренный стержень, а напротив него крепилась алюминиевая пластинка, в которую входил стержень под ударом лавины. Чем больше давление, тем сильнее вмятина. Сейчас применяют сложные приборы, позволяющие получить не только максимальное давление снега, но и его изменение в процессе удара. Данные показывают, что давление лавины бывает, как правило, от 5 до 50, хотя удар одной из лавин в Японии превысил 300. В таблице можно увидеть к каким разрушением приводит удар лавины разной силы:

Для характеристики лавинной опасности очень важно знать дальность выброса лавины, т.е. предельное расстояние которое может пройти лавина в данном лавиносборе. Дальность выброса колеблется от первых десятков метров до 10-20 км.  Лавина Уаскаран в Перу прошла почти 17 км. Самая большая дальность в бывшем СССР зафиксирована в бассейне р. Кзылча на Тянь-Шане, лавина здесь прошла 6,5 км. В большинстве случаев в горах на территории нашей страны дальность выброса лавин составляет от 0,5 до 1,5 км.

Особые свойства имеют пылевые лавины – смесь сухого снега с воздухом очень маленькой плотности, сопровождающиеся облаком снежной пыли. Они обладают огромной скоростью и большой разрушительной силой. При неболшом изменении движения в пылевой лавине возникают ударные волны, создающие грохот и рев, сопровождающий лавину. Такие лавины способны двигать многотонные предметы. В Скалистых горах мощная пылевая лавина перенесла грузовик весом более 3 т и экскаваторный ковш весом более 1 т на 20 м в сторону и затем сбросила их в овраг.

Перу часто страдает от последствий землетрясений, поскольку эта стра­на лежит над зоной субдукции, в которой плита Наска погружается под Южно-Американскую плиту. Однако ни одно из них не сопровождалось столь ужасными последствиями, как землетрясение 31 мая 1970 г., очаг которого находился в Тихом океане, в 25 км от побережья, недалеко от города Чимботе. Высоко на склоне горы Уаскаран, примерно в 130 км от очага землетрясения, сотрясения расшатали скалы и лед, образовав гигантский оползень, а точнее каменно-ледяную лавину. Несясь вниз по склону, набирая скорость и увеличивая свою массу, лавина быстро приобрела гигантские размеры. Она промчалась со скоростью более 200 км/ч вниз по длинной долине, забивая ее обломками скал, льдом и грязью и частично разрушив городок Ранрахирка, расположенный на расстоянии 12 км от горы. Часть лавины свернула в сторону, перевалила через высокий гребень и с ревом пронеслась через городок Юнгай. Городок был полностью уничтожен; лишь немногие его жители смогли спастись на высоких местах. Один из уцелевших сравнил приближавшуюся лавину с гигантским буруном, надвигавшимся со стороны океана с оглушительным ревом и грохотом, и в самом деле высота лавины превышала 30 м.

Только в двух указанных населенных пунктах было погребено под лавиной более 18000 человек; в целом от одной этой лавины погибло, видимо, 25000 человек. Повсюду в районе многочисленные оползни и разрушения тысяч глинобитных домов привели к гибели еще большего числа людей. 67000 погибших и 800000 оставшихся без кроватаков итог этой самой тяжелой сейсмической катастрофы Западного полушария.

        Нередко лавины из сухого снега сопровождает не только снежно-пылевое облако, но и воздушная волна, которая производит разрушения вне зоны отложения основной массы лавинного снега. Так, в Швейцарских Альпах в 1,5 км от места остановки лавины воздушная волна выбила в домах оконные стекла. А в другом месте воздушная волна переместила на 80 м железнодорожный вагон, а 120-тонный электровоз бросила на здание вокзала.  Особенно трагический случай произошел в Швейцарии в 1908 г. Небольшая лавина остановилась в нескольких метрах перед отелем, тем не менее здание было разрушено, крыша унесена на противоположный склон долины, а 12 человек, сидящих за столом лицом к лавине, были задушены  резким перепадом давлений воздуха.