Karsologie Jiří Faimon rozsah 2/0 3 kredity Mikroklimatologie jeskyní Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Mikroklimatologické parametry •(1) Teplota, vlhkost •kondenzační koroze •speleoterapeutický faktor •(2) Koncentrace CO2 •řídí růst speleotém / rozpouštění vápenců •speleoterapeutický faktor? •Zdravotní riziko při vysokých koncentracích •(3) Koncentrace Rn •zdravotní riziko •speleoterapeutický faktor •konzervativní prvek při studiu mikroklimatologických změn Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Řídící proces: ventilace jeskyně •Ventilace je principiálně určena geometrií jeskyně •Dělení jeskyní na –Dynamické –Statické • • • • • • • • • • • •Mezi těmito krajními typy je plynulý přechod! Ventilace jeskyně v závislosti na její geometrii: převládající směry proudění Ventilace je řízena rozdíly v hustotě vzduchu! Ventilační módy: UAF (upward airflow mode) DAF (downward airflow m.) Klíčové venkovní podmínky: teplotní gradient mezi • venkovní teplotou • vnitřní teplotou jeskyně UAF DAF Past na studený vzduch Ledové jeskyně ventilační módy Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Ventilace •Jaká část jeskyně vyvětrána za jednotku času. Umožňuje porovnat mikroklimatické poměry v jednotlivých jeskyních navzájem! • Ventilace jeskyně - objemový tok j jeskyní (m3 hod-1) normalizovaný na objem jeskyně V (m3): Dynamický model Objemové toky horním a dolním tokem ji, šipky vyznačují aktuální směr Směry proudění se mění v závislosti na venkovní teplotě V [m3] jin [m3 h-1] Jeskyně jout [m3 h-1] Doba/čas zadržení: Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní Mikroklimatologie jeskyně je principiálně ovlivněna ventilací jeskyně. Pilotní studie provedené v letech 2006/09 v Císařské jeskyně (Moravský kras, Česká republika): (1) potvrzení teoretických předpokladů (závislost intenzity a směrů proudění jeskynní atmosféry na geometrii jeskyně a teplotních gradientech) (2) Odhad specifických parametrů studovaných prostor (ventilace jeskyně, doba zadržení atmosféry (3) potvrzení komplexního vlivu ventilace na tzv. kondenzační korozi (4) několik nových poznatků (výrazné oscilace v intenzitě proudění, nevyrovnané hmotové bilance) Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní image description (A) Mapka Císařské jeskyně (B) Plánek příčného řezu Podle Absolon, 1970. Čísla představují monitorovací místa. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní image description Objemové toky vzduchu v úrovni horního (UE) a dolního (LE) vchodu Císařské jeskyně. (A) kvaziperiodické oscilace; (B, C) nevyvážené chaotické oscilace s vysokými pulzy (D, E) relativně stabilní toky při vysoké (D) a nízké (E) venkovní teplotě (F) téměř nulové toky při zhruba vyrovnaných teplotách venku a v jeskyni Zkratky: OT znamená vnější teplota (outdoor temperature), CT představuje teplotu v jeskyni (cave temperature), LE je dolní vchod (lower entrance) UE je horní vchod (upper entrance). Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní image description Císařská jeskyně: anuální data Proudění atmosféry (objemové toky vzduchu m3 s-1), Sezónní vlivy Období srpen 06 - březen 09 (A) objemové toky vzduchu spodním (LE) a horním (UE) vchodem jeskyně (B) teplota a vlhkost venkovní atmosféry poblíž spodního (LE) a horního (UE) vchodu jeskyně. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní Císařská jeskyně - 24h data Průměrné proudění atmosféry (toky vzduchu m2 s-1) Diurnální variace ve ventilaci Císařské jeskyně (A) Objemové toky vzduchu přes horní (LE) a dolní (LE) vchod jeskyně (B) Teplota a vlhkost vnější atmosféry poblíž horního (LE) a dolního (LE) vchodu jeskyně. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní image description Vliv teploty (v rozsahu 0–30°C) a relativní vlhkosti (v rozsahu 0–100 %) na hustotu vzduchu. Citlivostní analýza - tornádo graf. •Proudění v jeskyni - důsledkem rozdílu hustot mezi venkovní a jeskynní atmosférou. •Hustota vzduchu je funkcí celé řady proměnných, nejvýznamnější teplota a vlhkost. Analýza teoretických matematických vztahů (sensitivity analysis) ukázala, že teplota je rozhodující proměnná: r hustota směsi [kg m-3], Mi molární hmotnost i-plynu [kg mol-1], P celkový tlak plynné směsi [Pa], pw parc. tlak vodní páry [Pa], R plynová konstanta [m3 Pa K-1 mol-1], T absolutní teplota [K]. Parciální tlak vodní páry, pw: RH relativní vlhkost [%] T0 = 273.15 K ai koeficienty Výraz v závorce – parciální tlak nasycené vodní páry [Pa] při dané teplotě T [K] (Flatau et al., 1992) Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Modelování – regresní analýza Na soubory objemové toky vzduchu (zkratka AF) vs. teplota (T) byly aplikovány matematické modely (a) lineární model (zkratka LM) (b) kvadratický model (QM) (c) exponenciální model (EM) Regrese data - nejprve odděleně pro 24h data, pak pro anuální data. Následně - data sloučena do jediného souboru, analyzována společně. Proložení dat modely uspokojivé; koeficienty determinace (R2) se pohybovaly v rozmezí 0.601 až 0.752. Analýza variance (ANOVA) - všechny modely jsou statisticky významné (p < 0.0001). Pomocí regresní analýzy - vyčísleny jednotlivé parametry modelů: Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní Nalezení matematické závislosti umožňuje: (1) odhad ventilace jeskyně v závislosti na venkovní teplotě (2) určení teploty, T(AF=0), při které je ventilace jeskyně nejnižší (nulová). •Hodnoty vypočtené z jednotlivých datových souborů kolísají v širokém rozmezí •Nejvíc věrohodné - hodnoty získané z kombinovaných anuálních a 24h dat. •Pokud považujeme proudění horním vchodem za určující, jsou to teploty T ~ 11,14 až 12,63 (poslední 3 řádky v tab.). Vzhledem k tomu, že nelineární modely jsou statisticky významnější, lze za věrohodnou hodnotu T(AF=0) považovat teplotu kolem 11,2°C. Tato teplota je paradoxně o něco vyšší než průměrná teplota v jeskyni 9,8±1,9°C (včetně vstupních pasáží), popř. 9,6±1,4°C (bez vstup. pasáží). Rozdíl může souviset se ztrátou energie třením atmosféry o stěny jeskyně při proudění atmosféry. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní ventilation Dynamika výměny jeskynní atmosféry během sledovaného diurnálního cyklu (24h data). (A)kumulativní nárůst absolutních objemů vzduchu vyměněných během 24h (B)Relativní množství vyměněného vzduchu Během 24 hodin se vymění za daných podmínek téměř 30% celkového objemu jeskyně (pokud chápeme horní vchod jako určující) Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní Venkovní teplota trvale nad/pod teplotou T(AF=0) ~ 11,2°C (léto/zima) •kompletní výměně jeskynní atmosféry za venkovní vzduch •v závislosti na velikosti odchylky od T(AF=0) výměna během jednoho až několika dnů Maximální objemová rychlost proudění v ~ 0,22 m3 s-1 (únor 2007, venkovní teplota T ~ -3°C) odpovídá ventilaci jeskyně u ~ 0,07 hod-1 a času zadržení τ ~ 14,3 hod. Za předpokladu ideálního pístového toku by se jeskynní atmosféra vyměnila za 14,3 hodiny. Oscilace venkovní teploty kolem T(AF=0) ~ 11,2°C (jaro, podzim) •jeskynní atmosféra „potahována“ střídavě směrem k hornímu resp. dolnímu vchodu •výměně dochází jen ve vstupních pasážích jeskyně. V hlubších pasážích „starší“ jeskynní atmosféra zachovaná. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Výměna atmosféry může být vnímána jako nežádoucí (kontaminace jeskynního prostředí): •(1) je při ní vynášen autigenní jeskynní speleoaerosol a nahrazován aerosolem vnější atmosféry (včetně virů, spor, resp. cizorodého, často technogenního prachu) •(2) jsou při ní vynášeny autigenní plyny (CO2/Rn) a nahrazovány plyny technogenními (oxidy dusíku a síry) •(3) může být ovlivněna teplota a vlhkost především ve vstupních pasážích jeskyně (viz dále) – –Ventilace udržuje nízké hladiny CO2 v jeskynním prostředí!!!! –Hnací síly pro růst speleotém! • Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Vliv proudění na mikroklimatologii Císařské jeskyně temp humid box plot Rozložení teploty napříč jeskyní závisí na aktuálním směru proudění (A B) Rozložení vlhkosti je spíš kontrolován skapovými vodami než ventilací (C D) Vliv sezónních variací ve ventilaci Císařské jeskyně na rozložení teploty a vlhkosti. Čísla na x-ose odpovídají monitorovacím místům Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní image description (A) Mapka Císařské jeskyně (B) Plánek příčného řezu Podle Absolon, 1970. Čísla představují monitorovací místa. Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní ten second monit Vliv vysokofrekvenčních variací v proudění jeskynní atmosféry na koncentrace CO2 a teplotu v Císařské jeskyni (A) CO2 v jeskynní atmosféře (B) CO2 v jeskynní atmosféře po odečtení nízkofrekvenčního signálu (C) CO2 ve venkovní atmosféře (D) CO2 ve venkovní atmosféře po odečtení nízkofrekvenčního signálu (E) teplota v jeskyni (F, G) objemové proudění jeskynní atmosféry v úrovni horního a dolního vstupu Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní ten second monit CO2 Detailní analýza diurnálních variací koncentrace CO2 v (A) Císařské jeskyni (B) venkovní atmosféře Entropie křivek (C) oxid uhličitý (D) objemové toky vzduchu horním (UE) a dolním (LE) vchodem Karsologie I: mikroklimatologie jeskyní •Kondenzace vody v jeskynním prostředí •Absolutní vlhkost vzduchu - hmotnost vodní páry (g) v jednotkovém objemu vzduchu (m3) •Relativní vlhkost vzduchu - poměr mezi aktuální hmotností vodních par ve vzduchu a maximálně dosažitelnou hmotností par při dané teplotě a tlaku •Pokud teplota vzduchu o dané vlhkosti klesne k rosnému bodu (teplota kdy je pára nasycená), dochází ke kondenzaci vody! •Zkondenzovaná voda je principiálně –nasycená CO2 –nenasycená kalcitem •Zkondenzovaná voda rozpouští karbonátové horniny (vápence a sintry) Tento proces se nazývá kondenzační koroze •agresivita kondenzační vody se zvyšuje se vzrůstajícím množstvím rozpuštěného CO2 Cave Microclimate Impact on Karst Processes: Role of Cave Ventilation Jiří Faimon, Dana Troppová Department of Geological Sciences Faculty of Sciences, Masaryk University, Czech Republic 2007  •Case Study: •Císařská Cave •(Czech Republic) – North Part of the Moravian Karst Devonian Limestone Macocha Strata Group Methods § air flow (anemometer, La Crosse EA 3000) § temperature/humidity (thermometer/hygrometer, Greisinger GFTH 200) § condensation extent (estimated on a relative scale, 0 – 4) Microclimate Impact on Karst Processes Microclimate Impact on Karst Processes Air Flow / Cave Ventilation Results Microclimate Impact on Karst Processes Air Flow / Cave Ventilation Microclimate Impact on Karst Processes Air Flow / Cave Ventilation Microclimate Impact on Karst Processes Microclimate Impact on Karst Processes Microclimatologic Parameters and Water Condensation Microclimate Impact on Karst Processes Microclimatologic Parameters and Water Condensation Microclimate Impact on Karst Processes •Conclusions •cave microclimatic parameters change with cave ventilation •cave ventilation is controlled by outdoor conditions (temperature) •air flux through cave oscillates •dependence of air flux on outdoor temperature is nonlinear •cave ventilation controls levels of gasses in cave atmosphere •both air flow intensity and direction control cave water condensation Microclimate Impact on Karst Processes •References •Absolon K. (1970) Moravský kras (in Czech). Academia, Prague, 416 pp, (in Czech). •Faimon J., Štelcl J., Sas D. (2006) Anthropogenic CO2-flux into cave atmosphere and its environmental impact: A case study in the Císařská Cave (Moravian Karst, Czech Republic). Science of the Total Environment 369, 231–245. Thank You! For more information: faimon@sci.muni.cz Institute of Geological Sciences Faculty of Sciences, www.sci.muni.cz Masaryk University Brno, Czech Republic