Lawines van sneeuw en rijst

Lawines

Een van de onderzoeksgroepen van de Vrije Universiteit te Amsterdam is de vakgroep vastestof-fysica. In deze groep van onderzoekers zit ook dr. Rinke Wijngaarden. Hij houdt zich samen met promovenda Kinga Lörincz bezig met ‘self-organized critical’ systemen. Dat is een groep van systemen die zichzelf zo instellen, dat er lawines plaatsvinden. Een voorbeeld hiervan is de sneeuw op een berghelling. Deze self-organized critical (afgekort SOC) systemen hebben een bijzondere eigenschap, die wordt geïllustreerd in het plaatje hieronder.

De lijn in deze log-log grafiek is recht. Dat betekent dat er een verband is tussen deze twee volgens een machtswet. In formulevorm:

K(S) = S ^-a
waarbij K(S) de kans is op een lawine met sterkte S. De exponent a is een vast getal en heeft een waarde van ongeveer 1. (Gegevens ontleend aan “How nature works” van Per Bak)

Lawines voorspellen

We zien uit de grafiek dat een zwaardere lawine minder kans heeft om voor te komen dan lichtere lawines. De waarschijnlijkheid van zwaardere lawines valt echter niet zo snel af. Dat betekent dat er een redelijke waarschijnlijkheid is dat er een heel zware lawine zal plaatsvinden! Natuurlijk willen we proberen om zo’n zware lawine te voorkomen. De vraag is hoe we dat moeten doen. Het antwoord is simpel: verzin er een theorie voor.
Over SOC systemen bestaat een uitgebreide theorie die allerlei voorspellingen doet over de eigenschappen van zo’n systeem. Elk systeem gedraagt zich anders, maar de samenhang tussen de eigenschappen is steeds hetzelfde. Deze theorie is echter nog nauwelijks experimenteel getoetst. Dat is dus wat Rinke Wijngaarden doet.

Experimenteren met rijst

Een echte sneeuwhoop is moeilijk te bestuderen en er zijn voor onderzoek te weinig lawines. Daarom wordt de lawine in het klein nagebootst met een berg rijstkorrels. Al eerder zijn er in Noorwegen met rijst experimenten over lawines gedaan. Die experimenten toonden aan dat rijst een geschikt materiaal is om lawines mee te onderzoeken. Zand gedraagt zich heel ‘raar’. Dat wil zeggen, de lawines hangen af van de grootte van de berg zand. Bij rijst is dit niet het geval. De lange rijst geeft de mooiste lawines. In het laboratorium staat een grote bak. Hierin laat men rijst neerregenen. Deze regen is gelijkmatig verdeeld over de hele breedte van de bak, maar valt alleen op de top van de berg.

Op het oppervlak van de rijstberg (dat ongeveer 1x1 meter groot is) ontstaan nu lawines van rijst. Voor het onderzoek is het interessant om dit oppervlak te bekijken. Daarvoor is een truc bedacht. (Zie het plaatje hieronder.) Op het oppervlak van de rijstberg worden met behulp van een overheadprojector gekleurde lijnen geprojecteerd. Doordat het oppervlak onregelmatig is, zien ook die lijnen er onregelmatig uit, als je ze onder een hoek bekijkt. Met een camera worden de geprojecteerde lijnen bekeken. Uit deze beelden kun je afleiden (met wat meetkunde) hoe het oppervlak van de rijstberg eruit ziet. Dit wordt gedaan door een computer. Het resultaat is een driedimensionaal plaatje van het oppervlak van de berg.

Als je met behulp van de camera in de tijd het oppervlak volgt, kan een filmpje worden gemaakt van het oppervlak van de rijstberg. Zo’n filmpje kun je hieronder openen. In dit filmpje is het gemiddelde oppervlak afgetrokken van de werkelijke waarde, om de lawines duidelijker te laten zien.

Explosieven

In de bergen probeert men te voorkomen dat grotere sneeuwlawines op ongelegen tijden plaats vinden. We kunnen kijken wat er gebeurt als je met explosieven de lawines in sneeuw zelf opwekt. Onderzoekers van buiten de VU hebben hierover gegevens verzameld, Rinke Wijngaarden heeft deze gegevens in een grafiek gezet.

Uit deze grafiek kun je het volgende concluderen: Wanneer er explosieven worden gebruikt om lawines te voorkomen, verandert er niet veel aan de kans op grote lawines. Het gebruik van explosieven is dus niet echt een goede methode om een skigebied veilig te maken. Met zijn eigen onderzoek heeft Rinke Wijngaarden ontdekt dat je meteen moet beginnen met verstoren. Als je in het allereerste begin (dus bij wijze van spreken bij het vallen van de eerste sneeuwvlok) begint met verstoren van de lawine, zullen er geen grote lawines ontstaan. Wacht men echter langer met verstoren, dan is de kans op grote lawines juist groter!

Je ziet dat iets vanzelfsprekends als een lawine een zeer boeiend onderwerp van natuurkundig onderzoek kan zijn.

Over Rinke Wijngaarden

Rinke Wijngaarden is samen met studenten, aio’s (assistent in opleiding), oio’s (onderzoeker in opleiding) en postdocs al zeker drieënhalf jaar bezig met onderzoek naar lawines in zijn bak met rijst. Het idee om lawines te gaan onderzoeken kwam niet uit de Alpen, maar uit de supergeleiding.
Naast het rijstonderzoek doet Rinke Wijngaarden ook nog onderzoek naar zogenaamde type-I supergeleiders en naar vortices in supergeleidende draden.
Rinke Wijngaarden houdt zich zelf bijna niet bezig met echt experimenteren. Hij zorgt dat geld van FOM binnenkomt voor zijn mensen (aio’s, oio’s en postdocs) en voor de apparatuur. FOM is de stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie, die veel natuurkundig onderzoek financiert. Daarvoor schrijft hij onderzoeksvoorstellen. En hij helpt zijn mensen, die zelfstandig onderzoek doen, met het analyseren van de resultaten. Ook helpt hij met software om de metingen in resultaten om te zetten. Om te zorgen dat zijn onderzoeken betaald blijven, moeten er artikelen worden gepubliceerd. Bovendien gaat Rinke Wijngaarden naar conferenties om reclame te maken voor zijn onderzoek.