2003年の夏の熱波は、研究者と一般市民の双方に衝撃を与える岩崩れを引き起こした。ヘルンリ稜線から1,500立方メートルの岩が剥がれ落ちた。これは住宅2軒分にほぼ相当する量である。この破壊現象により、急斜面の崖面の表面に裸の氷が露出した。専門家はまもなく、記録的な気温によって岩盤の奥深くまで温められ、その気孔や亀裂に含まれていた氷が融解したことに気づいた。これにより、岩盤を結び付けていた結合力が突然低下した。
予期されなかった岩崩れをきっかけに、さまざまな工学および環境研究分野の専門家が集まったコンソーシアム、PermaSenseが発足した。同プロジェクトは2006年に開始され、当初の目標は、それまで不可能だった測定と観測を行うことであった。最先端技術を用いて、研究者らは、急峻な基岩の永久凍土において、前例のない質と量の現地測定値を得ることを目指していた。
研究チームは目標を達成しており、その成果は学術誌『Earth System Science Data』に報告されている。この研究は、科学者がマッターホルンのヘルンリ稜線（海抜3,500メートル）で記録した高解像度データの10年間の記録を述べている。2003年の岩崩れ地帯およびその周辺の29か所の異なるセンサー設置地点に配置された17種類のセンサーにより、合計1億1,500万件の個別データ点が得られた。
「このデータセットは、世界の高山永久凍土研究の歴史において、最も長期にわたり、最も密度が高く、最も多様なデータの記録である」と、ETHチューリッヒのコンピュータ工学・ネットワーク研究所の上級研究員であるヤン・ボイテル氏は述べている。
マッターホルンの監視
最先端の無線センサーを用いることで、研究者らは、大量の高品質データをほぼリアルタイムで利用可能にし、進行中の実験を綿密に監視・制御することに成功している。
「異なる種類の計測機器から得られた長期監視の複合的分析により、急峻な岩盤の不安定化につながる過程をより深く理解できるようになった」と、同プロジェクトの共同リーダーで、現在はミュンヘン工科大学のポスドク研究員であるサムエル・ヴェーバー氏は述べている。
センサーネットワークには、2分ごとに崩壊現場の写真を撮影する自動高解像度カメラも含まれている。「クラックメーター」は、亀裂の拡大と巨礫の変位を測定する。岩壁のさまざまな深さおよび表面において気温も測定されている。傾斜計とGPSセンサーは、岩塊の部分的な変位や山稜全体が谷に向かって変形し、徐々に傾いている度合いを常時測定している。近年、研究者らは音響放出および微小地震データを測定する機器を追加している。
データは、ヘルンリ稜線からWLANを介して、近くのクライン・マッターホルン（小マッターホルン）のロープウェイの山頂駅へ中継され、そこからインターネットを経由してリアルタイムでETHチューリッヒのデータセンターへ送信される。ここで研究者らは、データを継続的に取得、分析、評価しており、天候に関係なく24時間体制で、過去10年間それを続けている。
「プロジェクトの過去3年間において、より複雑な地震データを取り入れたことは、当初から研究を望んでいた事象、すなわち岩崩れにつながる不安定化を定量化する上で、特に有用であった。これにより、山から発せられる信号のパターンを特定し、そのような事象を捉えることが可能になった」とボイテル氏は述べている。
隠れた亀裂
地震センシングシステムの使用により、従来のセンサーでは捉えられなかった多くの異なる信号を検出することが可能になった。例えば、当初は目に見えず岩壁内に隠れていた亀裂の形成などである。
「地震センサーはより多くのデータを取得し、前例のない情報密度と分析の機会を提供してくれる」と、電気技術者でもあるボイテル氏は述べている。しかし、これらのセンサーにはいくつかの欠点がある。ケーブル、より多くの電力、そして研究者がまず掘削しなければならない深い試掘孔が必要となる。また、マッターホルン山頂へ向かう登山者の足音など、山とは無関係の信号も記録してしまう。
研究者らはまず、博士課程の学生が無線センサーに直接プログラムした機械学習および高度なアルゴリズムを用いて、これらのデータからすべての環境ノイズを除去しなければならなかった。また、地上の実測値との照合のため、マッターホルンに登る登山者が宿泊するアルペン小屋、ヘルンリヒュッテで記録されたデータもアルゴリズムに入力した。一晩に宿泊し登山する人数は、山に登る人々が干渉を引き起こしている時期の目安となる。
ろ過された地震データの分析は、ボイテル氏にとって興味深い知見をもたらしている。「岩石に生じる共振周波数は、一年の経過の中で大きく変動する」。この現象は、山における凍結と融解のプロセスに関連している。多くの微細な亀裂や裂け目は氷と堆積物で満たされており、この混合物は冬季には岩のように硬く凍結する。夏に融解すると、亀裂内の結合が変化する。自由に振動する岩塊は拡大し、その結果、共振周波数は低下する。冬にはその逆が起こり、岩塊の共振周波数は上昇する。
「これはギターと同じ原理である。弦を押さえる位置によって振動する部分の長さが変わり、音程が変わる」とボイテル氏は説明する。
「これらの共振周波数のパターンにおける非常に急激な変化は、岩壁の一部の安定性が変化したことを示すものだ」とボイテル氏は述べている。周波数が低下した場合、既存の亀裂が深くなったか、開いたことを意味する可能性があり、かなりの量の岩の崩落が発生しつつあることを示している可能性がある。
「地震データと音響データを、亀裂の幅の測定値および調査現場の写真と組み合わせることで、永久凍土がどのように変化しているかをかなり正確に特定し、発生し始めている問題を予測することができる」とボイテル氏は述べている。「これはPermaSenseプロジェクトのこれまでの最も優れた成果の一つだと考えている。」
災害の予測
マッターホルンにおける測定プロジェクトは継続中である。実施中、ボイテル氏は、「ホルン（Horu）」（この象徴的な山の地元での呼び名）から得た専門知識を、他のプロジェクトや現場へ移転することに意欲を示している。
取得された技術的および地質学的専門知識は、現在では自然災害事象の予測に応用することができる。ボイテル氏は、ブレガリア渓谷のピッツ・チェンガロがその一つの可能な用途になり得ると述べている。2017年夏には、数百万立方メートルにも及ぶ大規模な岩崩れが発生し、多くの人命が失われた。また、その結果生じた土石流により、下方にあるボンドの村の一部が破壊された。専門家は、この山でさらなる岩崩れが起こることに同意しており、現在はレーダーを用いて24時間体制で状況を監視しているが、これまでのところ現地測定は不足している。
ETHチューリッヒおよびバーゼル大学、チューリッヒ大学を含む他のいくつかの機関からの研究者も、本研究に貢献した。
