Antropogenní ovlivnění jeskynního mikroklimatu 01 Úvod • role jeskynní mikroklimatologie • oxid uhličitý v jeskynní atmosféře • role proudění vzduchu v jeskyni [USEMAP] 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 podnebí a 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) [USEMAP] 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 10 s – 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 [USEMAP] 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 záření na 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) [USEMAP] 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 (počasí v okolní 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 [USEMAP] 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 nebo speleoaerosol) • základní proměnné jeskynního mikroklimatu jsou pak ovlivňovány/řízeny: prouděním vzduchu (ventilací), prouděním vody, výměnou tepla [USEMAP] 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 okolní atmosféře jeskyně • fyzikální a chemické procesy, podílející se na tvorbě mikroklimatu jeskyně mohou být ovlivněny geologicky aktivním podložím (hydrotermální oblasti) [USEMAP] Role j. mikroklimatologie (1) Speleogeneze – tvorba jeskyní a jejich výplní CO2 v jeskynní atmosféře představuje významnou proměnnou kras. procesů Hnací silou speleogen. procesů je tak rozdíl koncentrací/parciálních tlaků CO2 (i) parc. tlak CO2 „ve vodě“ (PCO2(w)) (ii) parc. tlak CO2 v jeskyni (PCO2(atm)) PCO2(w) < PCO2(atm) … rozpouštění CO2 ve vodě (rozpouštění) PCO2(w) > PCO2(atm) … odplynění vody o CO2 (růst speleotém) rozpouštění vápenců růst speleotém [USEMAP] Role j. mikroklimatologie (2) Ochrana jeskynního prostředí • acidifikace prostředí – vliv kyselých dešťů, působení na vegetaci • kondenzační koroze na jesk. stěnách: CaCO3 + H2O = Ca2+ + CO32- • antropogenní CO2, teplo, vlhkost, částice, viry, bakterie, plísně … (3) Rekonstrukce paleoklimatu – archiv informací • konstantní teplota jeskyně odpovídá průměrné venkovní teplotě • 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 [USEMAP] image description Krasový profil [USEMAP] 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 • 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 [USEMAP] Box model jeskyně Proměnné: • Q … teplo (jQ … tepelný tok) • X … CO2, H2O, radon, částice • T … teplota vzduchu jeskyně • cX … koncentrace složky X • RH … relat. vlhkost vzduchu • výpočty: určení vstupů a výstupů, stanovení toků hmot a tepla do/z jeskyně • hodnoty parametrů v jeskyni: cX, T, RH… – předpokládáme stacionární stav • „nositelé“ hlavních proměnných: teplo (T), voda (RH, ci, T), vzduch (RH, ci, T) image description [USEMAP] Teplota jesk. atmosféry Teplota dána teplem: Q = m c DT • Q představuje teplo [J] • c měrnou t. kap. [J/kg/K] • m udává hmotnost [kg] • DT je změna teploty [K] • 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 image description [USEMAP] Významné faktory řídící teplotu vzduchu v jeskyni: • výměna vzduchu s okolní atmosférou jeskyně (ventilace jeskyně) (!) • endogenní teplo (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 uvolňující se 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 [USEMAP] 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 uvnitř jeskyně roční či denní sezónností) 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 Teplota jesk. atmosféry [USEMAP] • 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 Vlhkost jesk. atmosféry image description Hlavní toky v jeskyni: • proudění vzduchu v jeskyni • odpařování do j. atmosféry • proudění vzduchu z jeskyně • kondenzace vody v jeskyni [USEMAP] Role krasového CO2 Externí atmosféra • PCO2 ~ 10-3,4 , tj. ~ 400 ppmv • dopad na povrch jako srážky Půdy a epikras • PCO2 ~ 10-1,5 (~ 31600 ppmv) • sycení o CO2 až do rovnováhy Jeskynní atmosféra • PCO2 ~ 10-3, tj. ~ 1000 ppmv • odplyňování přebytečn. CO2 image description [USEMAP] CO2 v jeskynní atmosféře Sezónní závislosti • anuální – odlišné hodnoty během sezóny (léto/zima) • diurnální – různé hodnoty v průběhu dne (den a noc) Zdroje CO2 v jeskyni • produkce půdami a epikr. • antropogenní toky turistů • externí atmosféra jeskyně • produkce jesk. sedimenty [USEMAP] Box model CO2 v jeskyni Modelové proměnné • j1 … přirozený vstupní tok • j2 … antropogenní vst. tok • u … obj. rychlost proudění • cox(in) … venkovní konc. CO2 • cox … konc. CO2 uvnitř jesk. • modelování koncentrace CO2 v jeskyni pomocí box-modelu (hmotové toky) • aktuální koncentrace CO2 v rezervoáru dána sumou jednotlivých toků CO2 [USEMAP] Box model CO2 v jeskyni • celk. tok CO2 do jeskyně (přírůstek CO2 za čas) dán součtem jednotlivých dílčích toků CO2 do/z jeskyně (do jeskyně kladné, z jeskyně ven záporné) • pokud je součet dílčích toků nulový, máme koncentraci CO2 ve stac. stavu • jestliže jsou j1, j2, u a cox(in) konstantní, po integraci a úpravách dostáváme • tok j1: 2 x 10-6 m3 s-1 • tok j2: 2 x 10-4 m3 s-1 • rychlost u: 7 x 10-2 m3 s-1 • coxss: (8,08-8,64) x 10-3 m3 s-1 [USEMAP] Dynamika CO2 v závrtech karst model [USEMAP] Advekce CO2 z epikrasu [USEMAP] Advekce CO2 z epikrasu [USEMAP] Advekce CO2 z epikrasu [USEMAP] Proudění vzduchu jeskyní • proudění a jeho směr dán rozdílem hustot vzduchu v jeskyni a v jejím okolí • součet hustot suchého vzduchu a vodní páry: • parc. tlak vodní páry dán polynomem 6. řádu: image description Vliv relativní vlhkosti a teploty • citlivostní analýza → tornádo graf • teploty 0–30 °C (běžné podmínky) • rozmezí relativní vlhkosti 0–100 % • teplotní rozdíl DT = Texteriér – Tjeskyně [USEMAP] Proudění vzduchu jeskyní • lineární rychlost v [m/s] - závislá na ploše jeskynního profilu v daném místě • objemová rychlost v [m3/s] - je v jeskyni konstantní (modely, objemové toky) • Příklad: lineární rychlost proudění v jeskynní chodbě (S1 = 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 výměny jeskynní atmosféry za časovou jednotku) • doba z(a)držení [čas] – to odpovídá převrácené hodnotě ventilace jeskyně j j Císařská jeskyně V = 11 500 m3 • prům. objemové proudění 0,188 m3/s • ventilace jeskyně: 0,059 hod-1 (5,9 %) • doba zadržení vzduchu v jeskyni: 17 h [USEMAP] 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) dynam_jesk_ventil UAF mód proudění • Tjeskyně < Texteriér • vzestupné proudění DAF mód proudění • Tjeskyně > Texteriér • sestupné proudění [USEMAP] image description Císařská jeskyně • v severní části Moravského krasu (≈50 m za obcí Ostrov 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) [USEMAP] Císařská jeskyně: vlaštovčí křídla LWS dynamics • dyn. jeskyně: dva vchody v různých nadmořských výškách - rozdíl 10 m • podzim: období stagnující ventilace • DAF mód: intenzivnější ventilace u horního vchodu - pokles konc. CO2 • UAF mód: přínos koncentrací CO2 z hlubších pasáží jeskyně - nárůst CO2 • při přepnutí do DAF módu teplotní hystereze (teplota přepnutí vyšší o ≈3 °C - přechodné období proudění) [USEMAP] 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 jeskyní situovaných pod a nad úrovní hl. vchodu Jesk. pod úrovní vchodu • ventilují v zimním období • „past na studený vzduch“ Jesk. nad úrovní vchodu • ventilují v letním období • „past na teplý vzduch“ stat jesk ventil [USEMAP] Ventilační období Období aktivní ventilace • trvání aktuálního módu delší než doba zadržení vzduchu v jeskyni • výměna pomocí pístového toku • typické pro zimní a letní období obdobi stagnujici ventil Období stagnující ventilace • doba zadržení vzduchu v jeskyni kratší než aktuální mód jeskyně • přechodný mód - popotahování • zbylé části sezóny (jaro/podzim) [USEMAP] Ventilace v Císařské jesk. • paralelní měření proudění vzduchu u obou j. vchodů za různých tepl. podmínek • lineární hodnoty proudění přepočítány na objemové • záporné hodnoty proudění - opačné směry proudění • vyšší objem vzduchu přes okénko horního vchodu j. • nulové proudění vzduchu při venkovní teplotě 13 °C [USEMAP]