La ola de calor del verano de 2003 desencadenó un desprendimiento de rocas que conmocionó tanto a los investigadores como al público en general: 1.500 metros cúbicos de roca se desprendieron de la cresta del Hörnli, un volumen equivalente aproximadamente al de dos casas. El evento de fractura dejó al descubierto hielo en la superficie del escarpe empinado. Los expertos comprendieron pronto que las temperaturas récord habían calentado la roca hasta una profundidad tal que el hielo contenido en sus poros y fisuras se había derretido. Esto provocó, en la práctica, una reducción repentina de la cohesión que mantenía unida la masa rocosa.
El desprendimiento de rocas imprevisto dio origen a PermaSense, un consorcio que reúne a expertos de distintas disciplinas de investigación en ingeniería y medioambiental. Pusieron en marcha el proyecto en 2006 con el objetivo inicial de realizar mediciones y observaciones que hasta entonces no habían sido posibles. Mediante tecnología de última generación, los investigadores pretendían obtener mediciones in situ del permafrost de lecho rocoso empinado de una calidad y cantidad sin precedentes.
El equipo superó su objetivo, como informan en la revista Earth System Science Data. El estudio describe un registro de 10 años de datos de alta resolución que los científicos han captado en la cresta del Hörnli del Cervino, a 3.500 metros sobre el nivel del mar. En total, 17 tipos diferentes de sensores, situados en 29 ubicaciones distintas en la zona del desprendimiento de 2003 y sus alrededores, generaron 115 millones de puntos de datos independientes.
“Este conjunto de datos constituye el registro más largo, denso y diverso de la historia de la investigación sobre el permafrost alpino a nivel mundial”, afirma Jan Beutel, investigador sénior del laboratorio de ingeniería informática y redes de ETH Zúrich.
Monitorización del Cervino
Mediante sensores inalámbricos de vanguardia, los investigadores han logrado poner a disposición grandes volúmenes de datos de alta calidad casi en tiempo real, y supervisar y controlar de cerca los experimentos en curso.
“El análisis combinado de la monitorización a largo plazo obtenida con distintos tipos de instrumentos ha permitido comprender mejor los procesos que pueden llevar a la desestabilización de la roca empinada”, afirma Samuel Weber, codirector del proyecto y actualmente investigador posdoctoral en la Universidad Técnica de Múnich.
La red de sensores también incluye una cámara automática de alta resolución que toma fotos del lugar de la fractura cada dos minutos. Los “medidores de grietas” miden la ampliación de las fisuras y el desplazamiento de las rocas sueltas. Las temperaturas se miden a diferentes profundidades en la cara rocosa, así como en la superficie. Los inclinómetros y los sensores GPS miden de forma permanente cuánto se deforman las particiones rocosas más grandes, así como toda la cresta montañosa, y cómo se inclinan gradualmente hacia el valle. En los últimos años, los investigadores han añadido equipos para medir las emisiones acústicas y los datos microsísmicos.
Los datos se transmiten por WLAN desde la cresta del Hörnli hasta la estación de cima del teleférico del cercano Klein Matterhorn, desde donde se envían en tiempo real a través de internet al centro de datos de ETH Zúrich. Allí, los investigadores los captan, analizan y evalúan de forma continua, y lo han hecho durante los últimos 10 años, las 24 horas del día, haga el tiempo que haga.
“Durante los últimos tres años de nuestro proyecto, la incorporación de datos sísmicos más complejos ha sido especialmente útil para ayudarnos a cuantificar lo que queríamos investigar desde el principio: la desestabilización que conduce a los desprendimientos de rocas. Esto nos ha ayudado a identificar patrones en las señales de la montaña que permiten captar tales eventos”, afirma Beutel.
Grietas ocultas
El uso de sistemas de detección sísmica permitió detectar muchas señales distintas, como la formación de grietas inicialmente invisibles y ocultas en la cara rocosa, que los sensores anteriores no podían captar.
“Los sensores sísmicos captan muchos más datos y nos ofrecen una densidad de información y unas oportunidades de análisis sin precedentes”, afirma Beutel, ingeniero electricista. Sin embargo, estos sensores presentan varios inconvenientes: necesitan cables, más energía y perforaciones profundas, que los investigadores deben taladrar primero. Además, también registran señales que nada tienen que ver con la montaña, como las pisadas de los escaladores que se dirigen a la cima del Cervino.
Los investigadores tuvieron primero que eliminar todo el ruido ambiental de estos datos mediante aprendizaje automático y algoritmos inteligentes que los doctorandos programaron directamente en los sensores inalámbricos. Para contrastar con la realidad sobre el terreno, también alimentaron los algoritmos con datos registrados en el Hörnlihütte, un refugio alpino donde pasan la noche los alpinistas que ascienden el Cervino. El número de personas que pernoctan y ascienden cada día sirve como indicador de cuándo los escaladores de la montaña generan interferencias.
El análisis de los datos sísmicos filtrados ofrece a Beutel un panorama interesante: “Las frecuencias de resonancia que se producen en las rocas varían considerablemente a lo largo del año.” Este fenómeno está vinculado a los procesos de congelación y deshielo de la montaña. Muchas microgrietas y fisuras están llenas de hielo y sedimento, y esta mezcla se congela y se vuelve dura como la roca en invierno. Cuando se derrite en verano, la cohesión en las fisuras cambia. La masa rocosa que vibra libremente se agranda y, como resultado, la frecuencia de resonancia disminuye. Lo contrario ocurre en invierno: la frecuencia de resonancia de la masa rocosa aumenta.
“Es el mismo principio que en una guitarra: el tono depende de dónde se presionen las cuerdas, creando elementos vibrantes de distinta longitud”, explica Beutel.
“Cambios muy bruscos en el patrón de estas frecuencias de resonancia indicarían que la estabilidad de una parte de la cara rocosa ha cambiado”, afirma Beutel. Si las frecuencias descienden, puede significar que las fisuras existentes se han profundizado o abierto, lo que podría indicar el inicio de un desprendimiento de una masa considerable.
“Mediante datos sísmicos y acústicos, combinados con mediciones del ancho de las grietas y fotos del lugar de investigación, podemos identificar con bastante precisión cómo está cambiando el permafrost y hacer predicciones sobre problemas que empiezan a desarrollarse”, afirma Beutel. “Considero que este es uno de los mejores logros hasta la fecha del proyecto PermaSense.”
Predicción de desastres
El proyecto de medición en el Cervino sigue en curso. Mientras continúa, Beutel tiene interés en transferir el conocimiento adquirido con el “Horu”, el nombre local de esta icónica montaña, a otros proyectos y lugares.
La experiencia técnica y geológica adquirida puede aplicarse ahora a la previsión de fenómenos naturales peligrosos. Beutel señala que un posible uso podría darse en Piz Cengalo, en el valle de Bregaglia. En el verano de 2017, un desprendimiento de rocas masivo de varios millones de metros cúbicos causó la muerte de varias personas, y el flujo de escombros resultante destruyó partes del pueblo de Bondo, situado más abajo. Los expertos coinciden en que se producirán nuevos desprendimientos en esta montaña y actualmente vigilan las condiciones las 24 horas del día mediante radar, pero hasta la fecha faltan mediciones in situ.
Investigadores adicionales de ETH Zúrich y de otras varias instituciones, entre ellas las Universidades de Basilea y Zúrich, contribuyeron al trabajo.
