Antropogenní ovlivnění jeskynního mikroklimatu 01 Úvod • role jeskynní mikroklimatologie • oxid uhličitývjeskynníatmosféře • role proudění vzduchu v jeskyni Klimatologie • klima = sklon (Hipparchos) - závislost podnebí na sklonu paprsků slunce Předmět studia: • vytváření klimatu na Zemi - vznik odlišného klimatu jednotlivých regionů • kolísání a změny klimatu a prognóza budoucího vývoje klimatu • klasifikace jednotlivých typů podnebia jednotlivých klimatických oblastí Dělení klimatologie: 1) podle měřítka: klimatologie v makro- / mezo- / topo- / mikro- oblastech 2) podle studijních hledisek: • obecná (zákonitosti tvorby podnebí a klimatických změn, faktory vs. jevy) • regionální (analytické studium klimat, poměry území, klim. regionalizace) • aplikovaná (využití klimatologie v praktických oborech) Klima podle rozsahu Kategorie Horizontální rozměr Vertikální rozměr Doba trvání atm. víru Atm. vír Objekt Mikroklima 0,01 -100 m 0,1 -10m 0,1 -10 s Prašný vítr Louky Topoklima 100 m - 10 km 10- 1000 m IOs-2,7 hod Tornádo Svahy Mezoklima 1 - 200 km 1 - 1000 m 2,7-27,7 hod Hurikán Kotliny Makroklima 200 - 50000 km 1 m - 100km 27,7 h-11,5 dnů Cyklona ČR Kl. systém, složky, vazby • pět klim. složek: Atmosféra, Hydrosféra, Kryosféra, Biosféra, Geosféra • složky 2-5 tvoří aktivní povrch: „Aktivní povrch je ta část krajinné sféry, kde dochází k odrazu dopadajícího slun. záření a kde současně probíhá přeměna energie krátkovlnného slunečního zářenína tepelnou energii." • aktivní vrstva: trojrozměrný prostor, který také ovlivňuje tvorbu klimatu Mezi jednotlivými složkami nepřetržitě probíhají klimatotvorné procesy: • pojem „počasí" představuje okamžitý stav klimatického systému • pojem „klima" představuje stat. soubor všech stavů, jimiž prochází úplný úplný klimatický systém během několika desetiletí (podle WMO 30 let) Mikroklima (tologie) • mikroklima představuje podnebí velmi malých oblastí (patří sem i jeskyně) • předmětem našeho zájmu je mikroklima jeskyní, Př. krasová klimatologie -relativní uzavřenost a malý kontakt s okolím, jeskynní mikroklima spadá do dvou kategorií, jejichž definice často splývají: (1) endoklima a (2) kryptoklima • významnou roli při vzniku mikroklimatu hraje makropočasí(počasívokolní atmosféře) a na základě jeho vlivu na makroklima rozlišujeme 2 typy počasí: radiační typ počasí: příznivý vliv na mikroklima - malý dopad makropočasí advekční typ počasí: nepříznivý vliv na mikroklima - malý rozdíl oproti okolí Jeskynní mikroklima • soubor charakteristických klimatických procesů probíhajících uvnitř jeskyně (bez slunečního záření, stálá nízká teplota a vysoká vlhkost, slabé proudění) • jeskynní mikroklima je charakterizováno několika základními proměnnými: teplota vzduchu (jak teplota uvnitř jeskyně, tak i v okolní atmosféře) tlak vzduchu a vlhkost vzduchu (typy: absolutní, relativní, specifická) koncentrace plynů v atmosféře (nejdůležitější: oxid uhličitý a radon) koncentrace částic v atmosféře (jeskynní aerosol nebospeleoaerosol) • základní proměnné jeskynního mikroklimatu jsou pak ovlivňovány/řízeny: prouděním vzduchu (ventilací), prouděním vody, výměnou tepla Jeskynní mikroklima • mikroklima jeskyně je dále ovlivňováno řadou vedlejších faktorů: geografické/geologické faktory (vliv geologické stavby oblasti) hydrologické/meteorologické faktory (srážky, rychlosti větru) antropogenní faktory (zpřístupňování jeskyní, turistický ruch) fyzikální faktory, radiologické faktory, nebo chemické faktory • s postupujícím časem dochází k pozvolným změnám intenzity ovlivňování jednotlivými faktory-důsledek změn podmínek v okol ní atmosféře jeskyně • fyzikální a chemické procesy, podílející se na tvorbě mikroklimatu jeskyně mohou být ovlivněny geologicky aktivním podložím (hydrotermální oblasti) Role j. mikroklimatologie (1) Speleogeneze - tvorba jeskyní a jejich výplní C02 v jeskynní atmosféře představuje významnou proměnnou kras. procesů rozpouštění vápenců > 2+ CaC03 + C02(g) + H20 _Ca" + HC03" růst speleotém Hnací silou speleogen. procesů je tak rozdíl koncentrací/parciálních tlaků CO (i) pare. tlak C02 „ve vodě" (PC02(w)) (ii) pare. tlak C02 v jeskyni (PC02(atm)) pco2(w) < pco2(atm) - rozpouštění C02 ve vodě (rozpouštění) pco2(w) > pco2(atm) - odplynení vody o C02 (růst speleotém) Role j. mikroklimatologie (2) Ochrana jeskynního prostředí • acidifikace prostředí-vliv kyselých dešťů, působení na vegetaci • kondenzační koroze na jesk. stěnách: CaC03 + H20 = Ca2+ + C032~ • antropogenní C02, teplo, vlhkost, částice, viry, bakterie, plísně ... (3) Rekonstrukce paleoklimatu - archiv informací • konstantní teplota jeskyně odpovídá průměrné venkovníteplotě • změny teplot v geologické minulosti v izotop, složení speleotém (4) Speleoterapie • založena na periodickém pobytu pacientů v jeskynním prostředí • zaměřeno především na léčbu nemocí horních cest dýchacích Krasový profil Jeskyně jako dyn. systém • jeskyně představuje otevřený dynamický systém, v němž dochází k výměně jak hmoty, tak i energie s okolním prostředím • výměna hmoty vyjádřena pomocí hmotových toků, které odpovídají změně látkového množství v čase, kladná změna - přírůstek, záporná změna - úbytek + dmx _dmx JX dt ' dt • bilance toků: aktuální stav systému odpovídá sumě všech toků do/z systému • stacionární stav: suma všech dílčích hmotových toků do/z sytému je rovna 0 ZJx'OUt=Zix+ZJxUt=0 in, out in out Box model jeskyně Proměnné: • Q... teplo (jQ ... tepelný tok) • X... CO-,, hUO, radon, částice • T... teplota vzduchu jeskyně • cx... koncentrace složky X • RH ... relat. vlhkost vzduchu • výpočty: určení vstupů a výstupů, stanovenítoků hmot a tepla do/z jeskyně • hodnoty parametrů v jeskyni: cx, T, RH... - předpokládáme stacionární stav • „nositelé" hlavních proměnných: teplo (T), voda (RH, c, T), vzduch (RH, c, T) Teplota jesk. atmosféry Teplota dána teplem: Q = m c AT • Q představuje teplo [J] • c měrnou t. kap. [J/kg/K] • m udává hmotnost [kg] • AT je změna teploty [K] jq vzduch, voda 1 jq endogenní teplo JQ vzduch, voda jq konvekce do okolí tep. kapacity pro různá prostředí: voda (4180 J/kg/K), vzduch (1003 J/kg/K pro 0 °C), hornina (700-900 J/kg/K v závislosti na typu horniny) • vzduch tvoří nejvýznamnější médium pro přenos tepla v jeskynním prostředí Teplota jesk. atmosféry Významné faktory řídící teplotu vzduchu v jeskyni: • výměna vzduchu s okolní atmosférou jeskyně (ventilace jeskyně) (!) • endogenníteplo (geoterm. gradient) v geologicky aktivních oblastech Méně je teplota jeskynní atmosféry ovlivňována: • podzemní (například řeka Punkva) případně povrchově tekoucí voda • exhalace (výron) juvenilních plynů (plyny uvolňujícíse ze zemské kůry) • různé chemické pochody vyskytující se například v sed. horninách Při malém příspěvku endogenního tepla je prům. teplota uvnitř jeskyně blízká průměrné roční teplotě v okolní atmosféře (využití speleotém v jeskyni jako archiv paleoteplot v minulých dobách) Teplota jesk. atmosféry Změny teploty jeskynního vzduchu ovlivňují • okamžitou relativní vlhkost jeskynního vzduchu • změny v proudění vzduchu v dynamických jeskyní - komínový efekt (na základě teploty okolní atmosféry vznik různých módů ventilace) • určující vliv mají meteorologické podmínky - externí teplota vzduchu (ovlivnění proudění vzduchu uvnitřjeskyně ročnici dennísezónností) Obecně uznávaný model krasového systému - tři hlavní zóny: • heterotermická zóna: blízko povrchu/vstupů do jeskyně, externí vliv • homotermická zóna: hlubší pasáže jeskyně s konst. teplotou vzduchu • přechodová zóna: střídání heterotermických/homotermických pasáží Vlhkost jesk. atmosféry • absolutní vlhkost: hmotnost vodní páry obsažené v obj. jednotce vzduchu (nejčastěji se vyjadřuje v jednotce g/m3) • relativní/poměrná vlhkost: poměr okamžitého množstvím vodní páry ve vzduchu a množství vodní páry za stejných podmínek při plném nasycení • specifická vlhkost: hmotnost vodní páry obsažená v 1 kg vlhkého vzduchu Hlavní toky v jeskyni: • proudění vzduchu v jeskyni Jw Jw • odpařovánídoj. atmosféry RH vzduch vzduch • prouděnívzduchu z jeskyně jw kondenzace • kondenzace vody v jeskyni Role krasového C02 srážky Pco2(ext) HjO + CO,,^ rovnováha H,CO,, CO,.ao), H+, OH", HCO,2", CO, epikras, půdy Pco2(EK,S) skapová voda H,0 + C02(g, + CaCO, rovnováha H,C03, C02(aq), H\ OH", HCO32", C032", Ca2 jeskyně Pco20esk) c°2(g) odplynení T PC02Cesk) < PC02(EK,S) H20 + CO,(s, + CaCO, nerovnováha H2CO„ C02(aq), H+, OH", HCO,2", CO,2", Ca2+ K Kkalcil=10 -8.48 Q = [Ca2+][COn Externí atmosféra rC02 10"3'4 , tj. ~ 400 ppmv dopad na povrch jako srážky • P C02 Půdy a epikras - lO-^í-aiôOO ppmv) sycení o C02 až do rovnováhy Jeskynní atmosféra SI=log^ Q > K přesycení • PC02 ~ 10"3,tj. ~ 1000 PpľTlV odplyňovánípřebytečn. CO C02 v jeskynní atmosféře Sezónní závislosti • anuální-odlišné hodnoty během sezóny (léto/zima) • diurnální- různé hodnoty v průběhu dne (den a noc) Zdroje C02 v jeskyni • produkce půdami a epikr. • antropogenní toky turistů • externí atmosféra jeskyně • produkce jesk. sedimenty 0.5 0.4 - 0.3 o >, O v 0.2 > as o 0.1 - 0.0 Punkevní Cave ------- Masaryk Chamber -□- Tunel Corridor ------- U Anděla Chamber -&- Punkva Sailing —i-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1— ooooo^oooooooooo > o a -o date ■ 3 3 CD < CO Box model C02 v jeskyni • modelování koncentrace C02 v jeskyni pomocí box-modelu (hmotové toky) • aktuální koncentrace C02 v rezervoáru dána sumou jednotlivých toků C02 / u \ uox(in) / ^» ™" •» jeskyně, V :u C02(g) cox lx cox S ^ - - i J2 Modelové proměnné ► jj_... přirozený vstupní tok ► j2... antropogenní vst. tok ► u ... obj. rychlost proudění ► cox(jn)... venkovní konc. C02 ■ cox... konc. C02 uvnitřjesk. Box model C02 v jeskyni celk. tok C02 do jeskyně (přírůstek C02 za čas) dán součtem jednotlivých dílčích toků CO-, do/z jeskyně (do jeskyně kladné, z jeskyně ven záporné) J = d V ox Vdc tok]{. 2xl06m3s'1 OX dt dt = Ji+j2+uc ox(in) -uc„„ • tok j2: 2x10 4 m3 s'1 ox rychlost u: 7 x 10 2 m3 s'1 pokud je součet dílčích toků nulový, máme koncentraci C02 ve stac. stavu css = J1+J2 + C U ox(in) coxss: (8,08-8,64) x 10~3 m3 s'1 jestliže jsou j^ j2, u a cox(jn) konstantní, po integraci a úpravách dostáváme cox — J1+J2 + C ox(in) J f u ^ —t l-e v V J u n--1 + c° e v ^ uox c Dvnamika C02 v z^rtecb sterna! atmosphere Advekce C02 z epikrasu UAF mode DAF mode ► UE LE 4 soils/epikarst •in Jdir (EK) .In Jdeg r . "lot 1_ cave ^cave UAF mode UE soils/epikarst 'deg vtot I vcave LE cave DAF mode UE soils/epikarst ^UE LE<3= cave E Q_ Q. C o -i—« O c O O o 10 15 —f— 20 25 —J— 30 35 40 -r- 45 k 350 50 Time [days] Advekce C02 z epikrasu 2.5 x 10"1 Time [days] Proudění vzduchu jeskyní proudění a jeho směr dán rozdílem hustot vzduchu v jeskyni a v jejím okolí • součet hustot suchého vzduchu a vodní páry: p = Ma (P-pw) + pw M w RT i=6 pare. tlak vodní páry dán polynomem 6. řádu: pw =RHjXai(T_To)f/100 i=0 temperature [°C] relative humidity [%] 1.06 1.11 1.16 1.21 1.26 air density |kg m"3| Vliv relativní vlhkosti a teploty • citlivostní analýza -> tornádo graf • teploty 0-30 °C (běžné podmínky) • rozmezí relativní vlhkosti 0-100 % teplotní rozdíl AT = Texteriér - Tjeskyně Proudění vzduchu jeskyní • lineární rychlost v [m/s] - závislá na ploše jeskynního profilu v daném místě • objemová rychlost v [m3/s] -je vjeskyni konstantní (modely, objemové toky) • Příklad: lineární rychlost proudění v jeskynní chodbě (Sľ = 10 m2) je 0,022 m/s ► jaká bude lin. rychlost proudění vzduchu v chodbě s profilem S2 = 20 m2? • ventilace jeskyně [čas-1] - objemové proudění vzduchu normalizované na objem jeskyně (~ rozsah výměnyjeskynní atmosféry za časovou jednotku) • doba z(a)držení [čas] - to odpovídá převrácené hodnotě ventilace jeskyně • prům. objemové proudění0,188 m3/s j —► • ventilace jeskyně: 0,059 hod1 (5,9 %) • doba zadržení vzduchu vjeskyni: 17 h Císařská jeskyně V = 11 500 m3 Dynamické jeskyně dva nebo více vchodů v různých nadmořských výškách (dynamické proudění) ventilace v dynamické jeskyni probíhá na principu tzv. „komínového efektu" (proudění způsobené rozdílnými teplotami u jednotlivých jeskynních vchodů) dva ventilační módy: zimní mód proudění (UAF) a letní mód proudění (DAF) exterior exterior winter summer UAF mód proudění jeskyně exteriér • vzestupné proudění DAF mód proudění jeskyně exteriér • sestupné proudění Císařská jeskyně • v severní části Moravského krasu (=50 m za obcíOstrov u Macochy) • typicky dyn. jeskyně - dva vchody o různé nadm. výšce (ve vchodech ocelové dveře s okénky 20x20 cm) • v jeskyni celkem 8 jezírek (hladina uměle regulována skrze čerpadla) • jeskyně je v současnosti využívána Dětskou léčebnou se speleoterapií (kapacita 50 dětí, pobyt 20 h týdně) 25 m cave cross section Císařská Cave Císařská jeskyně: vlaštovčí křídla • dyn. jeskyně: dva vchody v různých nadmořských výškách - rozdíl 10 m • podzim: obdobístagnujícíventilace • DAF mód: intenzivnější ventilace u horního vchodu - pokles konc. C02 • UAF mód: přínos koncentrací C02 z hlubších pasáží jeskyně - nárůst C02 • při přepnutí do DAF módu teplotní hystereze (teplota přepnutí vyšší o =3 °C- přechodné období proudění) 900 880 -; > E Q. Q. t\l O o o ra a £ Q_ o o O o ■if Cl o o O o Cl o o O o cd Cl o o O o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o CM CM (O co Cl o o o o c\i Cl o o o o (Si Time Statické jeskyně • statické jeskyně ventilují pouze polovinu sezóny v závislosti na ext. teplotě • jeden anebo více vchodů s relativně malým rozdílem nadmořských výšek • odlišný klimatický režim u jeskynísituovaných pod a nad úrovní hl. vchodu winter ventilation cold air trap summer ventilation warm air trap Jesk. pod úrovní vchodu • ventilujívzimním období „past na studený vzduch vv Jesk. nad úrovní vchodu • ventilují v letním období „past na teplý vzduch Ventilační období Období aktivní ventilace • trváníaktuálního módu delší než doba zadržení vzduchu v jeskyni • výměna pomocí pístového toku • typické pro zimní a letní období Období stagnující ventilace • doba zadržení vzduchu v jeskyni kratší než aktuální mód jeskyně • přechodný mód - popotahování • zbylé části sezóny (jaro/podzim) jeskyně horní vchod Ventilace v Císařské jesk • paralelníměřeníproudění vzduchu u obou j. vchodů za různých tepl. podmínek • lineárníhodnotyproudění přepočítány na objemové • záporné hodnoty proudění - opačné směry proudění • vyšší objem vzduchu přes okénko horního vchodu j. • nulové proudění vzduchu při venkovníteplotě 13 °C co CO 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 ■0.10 -0.15 -0.20 -0.25 lower entrance o c: / í 1 / upper entrance o —i- lower entrance lowest ventilation at - 13°C upper entrance ^ 11 i i 11 i ■ i * * 11 i * ■ 11 i 11 i -5 0 5 10 15 20 25 30 35 outdoor temperature [°C]