Dynamika jeskynní atmosféry a její vliv na krasové procesy

Mgr. Marek Lang, Ph.D.

Doctoral thesis

Cave atmosphere dynamics and its impact on karst processes

Abstract:

Předložená práce byla zaměřena na ventilaci jeskyně a její vliv na jeskynní mikroklima a krasové procesy. Závislost proudění vzduchu na teplotním rozdílu mezi venkovní a jeskynní atmosférou je nelineární a je přibližně funkcí druhé odmocniny teplotního rozdílu. Monitoring ukázal systematicky vyšší hodnoty při vzestupném proudění (UAF mód ventilace, typický pro zimní období) oproti sestupnému proudění (DAF mód ventilace, typický pro letní období) při srovnatelných hnacích silách. Hlavním důvodem je nelineární závislost hustoty vzduchu na teplotě. U jeskyní s U-geometrií je tento efekt umocněný díky zpětné vazbě mezi venkovní teplotou a hnacími silami proudění vzduchu. Zatímco během UAF módu je tato vazba pozitivní, během DAF módu je negativní. Naopak, u přímých jeskyní se projevuje pouze negativní zpětná vazba nezávisle na ventilačním módu. Tyto vazby se vyskytují jak u horního, tak u spodního vchodu a snižují proudění vzduchu. Matematické modelování dynamiky CO2 v jeskyni umožnilo modifikovat obecný pohled na toky CO2 v jeskyni. Na základě modelu byly rozlišeny dva rezervoáry CO2, půda/epikras a jeskyně, a čtyři typy toků CO2 mezi těmito rezervoáry: přímý difúzní tok z půd/epikrasu, tok spojený s odplyňováním skapových vod a vstupní/výstupní toky spojené s ventilací jeskyně. Modelování bylo aplikováno na středně velkou dynamickou jeskyni (12000 m3) se dvěma vchody v různých nadmořských výškách. Tyto jeskyně se typicky vyznačují vyššími koncentracemi CO2 během DAF módu, zatímco nižší koncentrace CO2 jsou dosaženy při UAF módu. Modelování ukázalo, že výsledné koncentrace CO2 v jeskyni dosáhly během dvou až tří měsíců (období, během něhož se koncentrace CO2 v jeskyni vyvíjí směrem k ročnímu maximu, např. během jara) 1,9 × 10-2 mol m-3 (440 ppmv). Tyto hodnoty naznačují, že pro dosažení obvyklých hladin CO2 v jeskyni je nezbytný další vstupní tok CO2. Jako možný tok byl navržen přímý advektivní tok CO2 z půdy/epikrasu. Takový tok by byl řízen ventilací jeskyně a koncentracemi CO2 v půdách/epikrasu. Modelování ukázalo, že tento tok (až 170 mol s-1) je dostatečný pro nárůst koncentrací CO2 v jeskyni během jara (2 až 3 měsíce) až na 3 × 10-2 mol m-3 (70,000 ppmv). Na základě geometrie byly navrženy tři typy dynamických jeskyni s odlišným chováním: (1) jeskyně s advektivním tokem CO2 z půd/epikrasu uplatňujícím se při DAF módu, (2) jeskyně s advektivním tokem CO2 z půd/epikrasu uplatňujícím se při UAF módu a (3) jeskyně bez advektivního toku z půd/epikrasu. Kromě dynamiky jeskynního CO2 model také umožňuje interpretace rychlých fluktuací v izotopickém složení CO2 (13C) v jeskynním vzduchu známých z literatury. Oscilace v hodnotách 13C naznačují míšení CO2 ze dvou odlišných zdrojů: vzduch v půdách/epikrasu (hodnoty 13C kolem -22 ‰) a okolní atmosféry (hodnoty 13C kolem -8 ‰). Hodnoty 13C ve venkovní atmosféře nemohou být v jeskyni ve skutečnosti dosaženy kvůli míšení venkovního CO2 s půdním/epikrasovým CO2 uvolňujícím se do jeskyně difúzí a odplyňováním skapových vod. V opačném módu se naopak uplatňuje pouze jeden zdroj CO2: půdy/epikras. To naznačuje, že se hodnoty 13C v CO2 v jeskynním vzduchu mění v rozmezí od -22‰ do -13‰ v závislosti na T, který řídí ventilační mód a směr proudění vzduchu. Kromě sezónních změn se izotopické složení CO2 může měnit diurnálně během období s častým přepínám ventilačních módů (jaro, podzim). Nalezený mechanismus naznačuje, že na kolísání hodnot 13C ve speleotémách by částečně mohlo participovat přepínání ventilačních módů jeskyně. Toto zjištění by mohlo být důležité pro správné interpretace environmentá

Abstract:

lního signálu ve speleotémách. Ve zpřístupněných jeskyních bylo rozlišeno více faktorů řídících hladiny CO2 v závislosti na podmínkách uvnitř jeskyně a v jejím okolí. V období bez přítomnosti návštěvníků jsou koncentrace CO2 v monitorovaných prostorech jeskyně řízeny advektivními toky CO2 z přilehlých prostor nebo epikrasu (až ~3,1 x 10-2 mol s-1) v závislosti na proudění vzduchu a ventilačním módu jeskyně. Tyto toky mohou převyšovat přírodní tok dosahující hodnot od 1,7 x 10-6 do 6,7 x 10-6 mol s-1 (suma toků odvozených z difúze z půd/epikrasu a odplyňování skapových vod) až o několik řádů. V přítomnosti návštěvníků byly rozlišeny dvě hlavní složky antropogenního ovlivnění: (1) dýchání návštěvníků a (2) pohyb návštěvníků. Antropogenní tok CO2 produkovaný jednotlivými skupinami návštěvníků se pohyboval mezi 1,2 x 10-4 a 3,5 x 10-3 mol s-1 (průměrná hodnota na jednoho návštěvníka 5,1 x 10-5 mol s-1), což představuje významnou část toků CO2 z vedlejších prostor. Výpočet principiálně dosažitelného stacionárního stavu (až ~0,2 mol m-3, tj. 3471 ppmv) naznačuje, že antropogenní toky by mohly při dostatečně dlouhém pobytu návštěvníků v jeskyni téměř ztrojnásobit přírodní hladiny CO2. Pohyb návštěvníků může indukovat antropogenní proudění vzduchu o rychlosti až 0.2 m3 s-1, což více než 60x převyšuje rychlosti přírodního proudění vzduchu (až 3,2 x 10-3 m3 s-1). Takové proudění vzduchu může způsobit přepnutí ventilačního módu, což by mohlo vést k významné změně toků/hladin CO2. Výsledné koncentrace CO2 v jeskyni jsou závislé na různých faktorech, např. směru prohlídky vzhledem ke sklonu jeskyně (pozice spodního a horního vchodu) a/nebo teplotním rozdílu (mód přírodní ventilace). Model také ukázal, že antropogenní vliv související s pohybem návštěvníků působí nejen v samotném monitorovaném dómu, ale také v celé úzko-profilové chodbě. Proto mohou změny ventilačního módu jeskyně ovlivňovat proudění vzduchu a koncentrace CO2 také v sousedních prostorách jeskyně. Na základě morfologie jeskyně a sezónních podmínkách se mohou různé antropogenní vlivy ve zpřístupněných jeskyních za určitých podmínek vzájemně neutralizovat. V případě jedné skupiny návštěvníků může být nárůst CO2 způsobený dýcháním návštěvníků kompenzován přínosem nižších koncentrací CO2 z venkovního prostředí v důsledku jejich pohybu. V případě kratších intervalů mezi jednotlivými skupinami, by se mohl vliv dýchání jedné skupiny návštěvníků uvnitř dómu překrývat s vlivem pohybu další skupiny před/za dómem.

Abstract:

The presented work was focused on cave ventilation and its impact on both cave microclimate and karst processes. The dependence of airflows on the temperature difference between external and cave atmosphere is nonlinear and roughly follows the square root of the temperature difference. The cave upward airflows (UAF ventilation mode, typical for winter seasons) were found to be systematically higher than the downward airflows (DAF ventilation mode, typical for summer seasons) under comparable driving forces. The principle reason is nonlinearity in the dependence of air density on air temperature. U-shaped cave geometry magnifies this effect by feedback between the external temperature and airflow driving forces. Whereas this feedback is positive during the UAF mode, it is negative during the DAF mode. In contrast, only negative feedback appears in straight caves regardless of the ventilation mode. They operate at both the upper and lower entrances and reduce the airflows. Mathematical modeling of cave CO2 dynamics modified the general view of CO2 fluxes in caves. Based on the model, two CO2 reservoirs were considered, soils/epikarst and cave, with four fluxes among them: the direct diffusive flux from the soils/epikarst, the indirect flux derived from dripwater degassing, and the input/output fluxes linked to cave ventilation. Modeling was applied on a middle-volume dynamic cave (12,000 m3) with two entrances of different altitudes. In these caves, the higher CO2 concentrations are associated with the DAF mode, whereas the lower CO2 concentrations are reached under the UAF mode. Modeling showed that the resulting cave CO2 concentrations reached about 1.9 × 10-2 mol m-3 (440 ppmv) per two-three months (the period during which the cave CO2 level evolves to a yearly maximum, e.g., in the spring). This indicates that an additional input CO2 flux is necessary for reaching the usual cave CO2 levels. As such, an advective CO2 flux from the soil/epikarst was proposed. It would be driven by cave ventilation and soil/epikarstic CO2 concentrations. Modeling showed that the flux of about 170 mol s-1 is capable of providing cave CO2 levels of up to 3 × 10-2 mol m-3 (70,000 ppmv) during the spring period (about two-three months). Based on geometry, three types of dynamic caves with different behavior were proposed: (1) caves with the advective CO2 flux from the soil/epikarst under the DAF mode, (2) caves with the advective flux from the soil/epikarst under the UAF mode, and (3) caves without any advective flux from the soil/epikarst. Besides the CO2 dynamics, the dynamic model allows for the explanation of the quick fluctuations in the isotopic composition of cave air CO2 (13C) known from publications. The oscillations in 13C values indicate the mixing of CO2 from two different sources: soil/epikarstic air (13C about -22 ‰) and the external atmosphere (13C about -8 ‰). In fact, the external 13C values cannot be completely reached in the cave because of the mixing of external CO2 with the soil/epikarstic CO2 entering the cave via both diffusion and water degassing. In contrast, only one CO2 source operates under the opposite mode: soils/epikarst. It indicates that 13C values in the cave air CO2 vary in the range from -22‰ to -13‰, depending on the T, changing the ventilation modes and airflow direction. Besides seasonal changes, the CO2 isotopic composition may change diurnally during the period with frequent switching between individual ventilation modes (spring, autumn). The found mechanism suggests that the varying 13C record in speleothems could partially be a result of the switching of cave ventilation modes. This finding could be important for the correct interpretation of climatic records in speleothems. Various factors controlling the CO2 levels were recognized in tourist caves under the different conditions in the exterior and interior. In the period without visitors, the cave CO2 levels are controll

Abstract:

ed by the advective CO2 fluxes from adjacent spaces and the epikarst (up to ~3.1 x 10-2 mol s-1), depending on airflow and ventilation modes. These fluxes may exceed the natural net flux of 1.7 x 10-6 to 6.7 x 10-6 mol s-1 (sum of the fluxes derived from the diffusion from the soils/epikarst and dripwater degassing) by orders of magnitude. During the presence of visitors, two main components of anthropogenic impact were distinguished: (1) visitors’ breathing and (2) visitors’ movement. The anthropogenic CO2 input derived from individual visitor groups varied from 1.2 x 10-4 to 3.5 x 10-3 mol s-1 (individual personal flux corresponds to 5.1 x 10-5 mol s-1 on average), which represents the significant part of the CO2 fluxes from adjacent spaces. The calculation of the reachable steady state (up to ~0.2 mol m-3, i.e., 3471 ppmv) indicates that the anthropogenic fluxes could almost triple the natural CO2 levels if visitors stayed sufficiently long in the cave. The visitors’ movement may induce the airflows up to 0.2 m3 s-1, which exceeded the natural airflows (up to 3.2 x 10-3 m3 s-1) by a factor of more than 60. These airflows may cause a switch in the cave ventilation mode and a significant drop/increase of CO2 fluxes/levels due to the changed ventilation. The resulting CO2 concentrations depend on various factors, e.g., the direction of the cave tour with respect to cave floor inclination (the position of lower and upper entrances) and/or temperature difference (natural ventilation mode). The model showed that the anthropogenic impact resulting from visitors’ movement acts not only in the monitored chamber itself, but also in the whole low-profile corridor. Therefore, the change of the cave ventilation mode can also affect the airflow and CO2 levels in the adjacent chamber passages. This indicates that various anthropogenic influences in show cave can balance and neutralize each other, based on cave morphology and seasonal conditions. In case of one visitor group, the CO2 level increase from visitors’ respiration could be compensated by lower CO2 concentrations from the exterior because of visitors’ movement. In case of the shorter intervals between individual tours, the respiration impact of one group inside the chamber could overlap with the movement impact of another group before/after the chamber.

Keywords

antropogenní vliv, dynamická jeskyně, hmotové toky, matematický model, sezónnost oxidu uhličitého, teplotní rozdíl, ventilační mód, anthropogenic impact, carbon dioxide seasonality, dynamic cave, mass fluxes, ventilation mode, mathematical model, temperature difference

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 8. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 9. 11. 2016
• Supervisor: doc. Ing. Jiří Faimon, Dr.
• Reader: prof. Ing. Ondřej Šráček, M.Sc., doc. RNDr. Josef Zeman, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geology (4-years) / Geological Sciences