MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta
Dynamika teplotních změn v Chýnovské jeskyni Klára Nováková
Rešerše k bakalářské práci
Vedoucí práce: doc. Ing. Jiří Faimon, Dr.
Brno 2011
Obsah:
1. Úvod
3
2. Chýnovský kras
4
2.1.
Chýnovská jeskyně
4
2.2.
Geologie
5
2.3.
Hydrologie
5
3. Klimatologie jeskyní
6
3.1.
Vlhkost vzduchu
6
3.2.
Teplota vzduchu
7
3.2.1. Průměrné teploty jeskyň ČR
8
3.2.2. Ledové jeskyně
8
3.3.
Tlak vzduchu
9
3.4.
Cirkulace vzduchu
9
3.4.1. Jeskyně statické
10
3.4.2. Jeskyně dynamické
10
3.4.3. Jeskyně stato-dynamické
11
4. Seznam literatury
12
5. Přílohy
14
2
1. Úvod
Jeskyně je nejpozoruhodnější přírodní útvar krasu. Už sama jeskyně jako geomorfologická forma svými podzemními prostorami a jejich výplní, jako i procesy, které v ní probíhají, je objektem vědeckého bádání (Jakál et al. 1982). Většina z nich má mimořádný význam, neboť představují nejen pozoruhodné geologické, geomorfologické a mineralogické fenomény, ale jsou v nich zachovány i ty nejcennější doklady o vzniku a vývoji lidské kultury a v neposlední řadě jsou cennými biotopy (Musilová 2010). Jeskynní mikroklima, přestože se jeví jako velmi stabilní, mohou změnit i velmi malé zásahy. K takovýmto zásahům dochází nejčastěji ve zpřístupněných jeskyních. Mohou to být stavební úpravy (např. otvírka a rozšíření vchodů a průchodů), produkce tepla a vlhka návštěvníky apod. (Bosák et al. 1988). Jelikož se jedná o citlivý ekosystém, podléhá Chýnovská jeskyně přísným podmínkám ochrany přírody. Roku 1992 byla vyhláškou ministerstva životního prostředí převedena do kategorie národní přírodní památka a v roce 2005 byla zařazena do národního seznamu Evropsky významných lokalit systému Natura 2000. Nezbytná regulace návštěvnosti spočívá v omezení počtu osob ve výpravách a stanovení vhodné frekvence vstupů (Krejča 2009). Cirkulace jeskyně je klíčovým jevem, který řídí složení jeskynní atmosféry a mikroklimatické parametry jeskyně, jako jsou teplota, vlhkost a další. Z hlediska proudění vzduchu je Chýnovská jeskyně jeskyní dynamickou se statickými částmi. Cílem práce je přispět k lepšímu pochopení dynamiky teplotních změn v jeskyni a ke zlepšení ochrany prostředí navštěvovaných jeskyní.
3
2. Chýnovský kras
Chýnovský kras je menší krasové území, které leží na jihozápadním okraji Českomoravské vrchoviny v Pacovské pahorkatině poblíž města Chýnova. Na povrch vystupuje řada těles krystalických vápenců a dolomitů, které jsou součástí Chýnovsko-ledečského pruhu tzv. pestré skupiny metamorfovaných hornin krystalinika šumavské a středočeské části Moldanubika. V podobě tenkých pruhů, čočkovitých těles i masivů větších rozměrů vystupují z mocného souvrství muskoviticko-biotitických pararul, provázených občasnými vložkami kvarcitů a vložkami i tělesy amfibolitů (Drbal 2009).
Mimo Chýnovskou jeskyni lze
pozorovat krasové jevy v okolí obce Věžná, Josafatském údolí a zejména u Velmovic.
2.1. Chýnovská jeskyně
Jeskyně se nachází východně od Tábora v jižním úbočí Pacovy hory (589 m. n. m.) nedaleko Dolních Hořic, 2 km severovýchodně od Chýnova (viz příloha 1). Objevena byla roku 1863 při těžbě vápence a o 5 let později, v roce 1868 je první veřejnosti zpřístupněnou jeskyní na území Čech a Moravy. Postrádá klasickou krápníkovou výzdobu, je však unikátní svéráznou modelací jeskynních prostor a mimořádně pestrým zbarvením stěn a stropů (viz příloha 2) (Krejča 2009). Dosud známý podzemní systém tvoří několik úrovní chodeb a síní, propojených navzájem strmými chodbami a komíny. Jeho nejnižším patrem protéká aktivní podzemní tok (Drbal 2009). Celková délka dosud objevených částí činí 1 400 m s výškovým rozdílem 74 m, téměř čtvrtina známých chodeb jeskyně je trvale zatopena vodou (Krejča 2009). V letech 2006 – 2007 prošla jeskyně rekonstrukcí, při níž byla vyměněna elektroinstalace a došlo ke zpřístupnění nových prostor a vybudování nové výstupní štoly.
4
2.2. Geologie
Území náleží k jedné z nejstarších geologických oblastí jádra Českého masivu nazývané Moldanubikum. Je budována převážně metamorfovanými horninami – rulami, svory a migmatity, prostoupenými masívy hlubinných vyvřelin (Krejča 2009). V metamorfitech moldanubické oblasti lze vyčlenit dvě série hornin nyní označované jako skupiny, které mají základní význam pro poznání stavby oblasti a které se vzájemně liší svým horninovým obsahem. Je to tzv. jednotvárná skupina a pestrá skupina (Mísař et al. 1983). Pestrá skupina je charakterizována vložkami odchylných hornin jako jsou vápence, amfibolity a erlany. Stratigrafie pestré skupiny je Sukem rozdělena na souvrství cetorazské, hořické a svídnické. V souvrství hořickém, které vystupuje přibližně ve středu území horninami karbonátovými a amfibolity je vyvinuta mimo jiné i Chýnovská jeskyně (Cajz 1984). Od Velmovic přes Pacovu a Kladrubskou horu k Lejčkovu se dnes v délce 4-5 km táhne 100-150 m mocný, tektonicky značně porušený horizont krystalických vápenců, uložených společně s amfibolity v okolních pararulách. Celé toto souvrství se sklání k severu pod úhlem 40-50 stupňů. Krasový systém Chýnovské jeskyně vznikl v lavici hrubozrnného mramoru, lidově nazývaného „řeďák“, který ve vápencích tvoří jen 10 m mocnou polohu z obou stran sevřenou amfibolity (Krejča 2009).
2.3. Hydrologie
Převážná část území je protékána přítoky Chýnovského potoka, který je nejdůležitějším pravostranným přítokem Lužnice (Cajz 1984). I přes dlouhodobý výzkum zůstávají poměry podzemního toku Chýnovské jeskyně a jeho vztah k povrchové hydrografii oblasti stále ještě otevřenou otázkou. Dodnes nejsou známy cesty podzemních vod v oblasti východně od jeskyně, tedy přítok a jeho zdroje. Z dosavadních výzkumů vyplývá, že voda podzemního potoka Chýnovské jeskyně do krasového systému proniká z okolních nekrasových hornin. Protéká vápencovou zónou, která působí jako drenáž a na jejím okraji v místě Rutické vyvěračky vytéká na povrch. Na své cestě dokonce podtéká některé povrchové potoky, 5
přičemž jejich voda do podzemního toku neproniká. Teplota vody v jeskyni je velmi stálá – 8,7 °C, průtok se pohybuje v rozmezí 6-9 l/s (Krejča 2009).
3. Klimatologie jeskyní
Klimatologie jeskyní, též speleoklimatologie, je poměrně mladá disciplína zabývající se charakteristikami, popisem a vysvětlováním tvorby specifického jeskynního mikroklimatu. Základ speleoklimatologie je položen Listovem, Krouberem, Wolfandem a dalšími vědci, kteří se podíleli na výzkumu na konci 19. století a počátku 20. století (Fernández-Cortés et al. 2006). V klimatologii se pod pojmem mikroklima rozumí meteorologický režim malých prostor, který se vytváří působením atmosférických faktorů a spolupůsobením faktorů daného prostředí. Speleoklima je dlouhodobý režim děje, který tvoří fyzikální stav jeskynní atmosféry vytvářený spolupůsobením všech jeskynních a vnějších meteorologických faktorů a fyzikálními účinky okolních jeskynních prostor a stěn (Jakál et al. 1982). Nepřímé fyzikální vlivy zahrnují změny mikroklimatu prostřednictvím stavebních změn, které mění cirkulační režim, nebo prostřednictvím přítomnosti návštěvníků, který vede ke změnám teploty, vlhkosti a obsahu CO2 v jeskynním prostředí (Russell et al. 2008). K hlavním faktorům patří především teplota, vlhkost, proudění a tlak vzduchu.
3.1. Vlhkost vzduchu
Pod pojmem vlhkost vzduchu rozumíme množství vodní páry v atmosféře, které vzniklo vypařováním (Jakál et al. 1982). Udává se v procentech (%). Relativní vlhkost vzduchu je ovlivňována hlavně obsahem vody v horninách vázané k povrchu horninových částic a přítomnosti toků spodní i povrchové vody, jezírek či prosakováním povrchové vody. Významně ji ovlivňuje také teplota vzduchu a barometrický tlak (Sládek 2009). Relativní vlhkost v jeskyních obvykle přesahuje 95 %. Přestože je klima v jeskyních často popisováno jako velmi stálé, ve skutečnosti je výrazně ovlivněno ventilací jeskyně (Lang 2010). 6
3.2. Teplota vzduchu
Teplota vzduchu v jeskyni je nejčastěji závislá na geologickém charakteru podloží, na teplotě matečné horniny a na výměně vzduchu s vnějším okolím. Teplotu často ovlivňuje přítomnost podzemních nebo povrchových vod, exhalace juvenilních plynů či chemické pochody v sedimentech (Sládek 2009). Gradienty teploty vzduchu a vlhkosti vzduchu mezi vnitřním a vnějším prostředím mohou vést k rozdílům hustoty vzduchu, který vyvolává proudění vzduchu (Russell et al. 2008). Změny vnější teploty se nejzřetelněji v jeskyni projevují cirkulací vzduchu, která je rozdílná v letním a zimním období. V zimě, kdy je vzduch v jeskyni teplejší než okolní, lze pozorovat jeho stoupání a únik z jeskyně puklinami či komíny. Naopak v létě je studený vzduch z jeskyně vytlačován ven a nahrazen teplým vzduchem z vnějšího okolí. Tím dochází k vyrovnávání teploty vzduchu mezi vnitřním a vnějším prostorem a ke snižování jeho relativní vlhkosti (Sládek 2009). Výměnou vzduchu může býti jeskyně oteplena nebo ochlazena, a to nejen ovzduší jeskyně, nýbrž i jeskynní stěny, strop a dno i náplň jeskyně (voda, krápníky, sutě) (Kunský 1950). Návštěvníci též mohou mít značný vliv na energetický tok do jeskyně. Tělesné teplo od návštěvníků a vyzářené ze světel přispívá teplem do jeskynního systému. Na rozdíl od vnějších klimatických podmínek jeskyně obecně vykazují poměrně konstantní teplotu a vysokou vlhkost. Nicméně mikroklimatické chování jeskyň není neměnné ani stálé (Russell et al. 2008). Podle obecně uznávaných modelů krasové systémy zahrnují 3 hlavní zóny: heterotermickou zónu poblíž povrchu, nenasycenou přechodnou zónu a zónu konstantních teplot – neutrální zóna, ve které je teplota dlouhodobě stálá (Fernández-Cortés et al. 2006). V jeskyních, jejichž ovzduší nemá nějakými průchody a komíny souvislost s venkovním ovzduším jehož teplota se stále mění, se po celý rok udržuje stálá teplota, jen nepatrně kolísající. Je-li jeskyně v studené oblasti (severní svah, zalesněný stinný povrch, vysoká horská poloha), má průměrnou teplotu nižší než jeskyně v oblasti teplejší (jižní svah, holý povrch, blízkost jeskyně k povrchu, malá nadmořská výška atd.). Má-li ovzduší jeskyně nějakou komunikaci na venek, stoupá a klesá teplota jeskynního ovzduší – s určitým zpožděním – se stoupající nebo klesající teplotou venkovního vzduchu. Při tom se toto kolísání projevuje jen v malých mezích kolem průměrné roční teploty. Jeskyně mající 7
rozsáhlé spojení s venkovním ovzduším mění rychle a značně teplotu svého ovzduší se změnami teploty venkovní, někdy ve stejné míře (Kunský 1950).
3.2.1. Průměrné teploty jeskyň ČR
Nejvyšší průměrné teploty vzduchu u nás dosahují Zbrašovské aragonitové jeskyně (14,3 °C) v důsledku geotermální aktivity a naopak nejstudenějšími jsou jeskyně Sloupsko-šošůvské (6,2 °C). K největším ročním změnám teploty dochází v Punkevních jeskyních (2,8 °C) následkem komunikativní povahy systému spojeného s propastí Macochou a tokem řeky Punkvy (Sládek 2009). Průměrná roční teplota v Chýnovských jeskyních je 7,8 °C.
3.2.2. Ledové jeskyně
Led vzniká v těch jeskyních (nebo jejich částech), v nichž teplota jeskynního ovzduší klesne pod bod mrazu a v nichž je dostatek vody pro vytvoření podstatného množství ledu (Kunský 1950). Zalednění je stálé nebo dočasné. Dočasné (zimní) zalednění se tvoří ve vchodech jeskyní nebo částech blízko povrchu. Skapávající a mrznoucí voda tvoří stalagmity, stalaktity i podlahový led. Mrznoucí kondenzační vlhkost tvoří ledovou jinovatku (Bosák et al. 1988). Jeskyně, které mají v některých svých prostorách trvale led, označujeme jako jeskyně ledové. Velmi důležitým činitelem při vzniku jeskynního ledu je cirkulace vzduchu. Jeskyně, v nichž se udržuje led pouze v zimě a v teplých měsících zaniká, označujeme jako paledové (Chábera 1996).
8
3.3. Tlak vzduchu
Jeskynní „dýchání“ je důsledkem velkých barometrických tlakových rozdílů mezi vnějším a vnitřním prostředím (Russell et al. 2008). Jestliže vnější tlak stoupá, je vzduch „zatlačován“ z vnějšího prostředí do jeskyní, a jestliže klesá, je naopak jeskyněmi „vydechován“ (Přibyl et al. 1992).
3.4. Cirkulace vzduchu
Rychlou výměnou různě teplého vzduchu v jednotlivých částech nebo v celé jeskyni nastává proudění vzduchu, které v jeskyních jmenujeme průvan. Průvany v jeskyni pozorujeme zvláště v ohybech chodeb, v jejich zúžených částech a u vchodů (Kunský 1950). Rychlost proudění závisí na jeskynních prostorách (Jakál et al. 1982). Podle Bosáka a kol. (1988) má na proudění vzduchu vliv i dynamický tlak větru na povrchu, strhávání vzduchu tekoucí vodou, změny tlaku vzduchu na povrchu a další. Hlavní příčinou toku vzduchu je hustota rozdílná mezi vnitřním a vnějším prostředím jeskyně, která je funkcí teploty vzduchu (Russell et al. 2008). Jak již bylo zmíněno, proudění vzduchu je rozdílné v letních a zimních podmínkách. Klasifikace jeskyní z klimatického hlediska prošla poměrně složitým vývojem, který není možno doposud považovat za ukončený. Původní třídění, které vycházelo z teplot v jeskyních a jejich chodu, bylo nahrazeno tříděním, v němž je proudění vzduchu považováno za základní charakteristiku (Přibyl et al. 1992). V současné době rozeznáváme dva základní typy jeskyní, jeskyně statické a dynamické.
9
3.4.1. Jeskyně statické
Statické jeskyně je třeba chápat jako určitý specifický stav speleoklimatu, ve kterých se vyskytuje sezónní období se stagnací vzduchu. Obyčejně to jsou šikmé nebo vertikální jeskyně s jedním spodním nebo vrchním otvorem. Typické pro statické jeskyně je, že jejich průměrná roční teplota kolísá jen málo. Typickým ukazatelem statického speleoklimatu v období stagnace vzduchu je jeho vysoká vlhkost (okolo 100%), nezávislá na vnější vlhkosti (Jákál et al. 1982). Mají buď jen jeden vchod nebo několik vchodů, ale s relativně malým rozdílem nadmořských výšek. Klimatický režim se výrazně liší u jeskyní, jejichž převážná část leží pod úrovní vchodu, od jeskyní, jejichž převážná část leží nad touto úrovní (Přibyl et al. 1992).
3.4.2. Jeskyně dynamické
Má-li jeskyně dva nebo více vchodů o rozdílné nadmořské výšce, jde nejčastěji o jeskyni dynamickou (Bosák et al. 1988). V letním období, kdy je vzduch v jeskyních vlivem přestupu tepla chladnější a má tedy i větší specifickou hmotnost než vzduch v přilehlé volné atmosféře, převýší váha vzduchového sloupce v jeskyni odpovídající vzduchový sloupec vně jeskyně a vzduch v jeskyni začne klesat od horního vchodu (vztažného) směrem k spodnímu (výdušnému) a jím ven (Přibyl et al. 1992). Toto proudění je kompenzováno nasáváním vzduchu horním otvorem (Bosák et al. 1988), který se ochlazuje přestupem tepla do horniny (Přibyl et al. 1992). V zimním období je směr proudění opačný. Obecně mají dynamické jeskyně teploty ovzduší střídavé a mohou se při velmi nízkých teplotách krátce dočasně zaledniti (Kunský 1950). Když je nasávaný vzduch teplejší než jeskynní ovzduší, jeho ochlazováním se zvyšuje relativní vlhkost (Jakál et al. 1982), naopak zahříváním nasávaného chladnějšího vzduchu relativní vlhkost klesá. Rozložení teploty v dynamických jeskyních je velmi variabilní a závisí na množství faktorů, např. na délce jeskyně, rychlosti proudění, vnější teploty, momentálního směru proudění (Jakál et al. 1982).
10
3.4.3. Jeskyně stato-dynamické
Poměrně vzácným případem jsou jeskyně stato-dynamické. Jde v podstatě o jeskyně dynamické, jejichž spojení mezi spodním a horním vchodem je v některém období uzavřeno. K tomuto uzavření může docházet např. zaledněním nebo zaplavením některých sifonů vodou (Přibyl et al. 1992). Za staticko-dynamickou pokládáme i takovou jeskyni, kde následkem labyrintové soustavy chodeb se některé části projeví jako dynamické, některé jako statické (Jakál et al. 1982).
11
4. Seznam použité literatury
Bosák P. (1988): Jeskyňářství v teorii a praxi. ― Česká speleologická společnost ve Státním zemědělském nakladatelství, 101-104. Praha Cajz V. (1984): Geologické poměry pestré skupiny moldanubika v okolí Chýnova. ― MS, diplomová práce. Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy. Praha Drbal K. (2009): Moldanubikum a sředočeský pluton. ― In: Mackovčin P. – Sedláček M. (eds.): Chráněná území ČR XIV.: Jeskyně. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR a EkoCentrum Brno, 256-260. Praha
Fernández-Cortés A. – Calaforra J. M. – Jiménez-Esponosa R. – Sánchez-Martos F. (2006): Geostatistical spatiotemporal analysis of air temperature as an aid to delineating thermal stability zones in a potential show cave: Implications for environmental management. ― Journal of Environmental Management 81(4): 371-383. Chábera S. (1996): Geomorfologie. ― Jihočeská univerzita České Budějovice, 69. České Budějovice Jakál J. – Abnoyi A. – Bárta J. - Gulička J. – Hipman P. – Mitter P. – Rajman L. – Roda Š. – Slančík J. (1982): Praktická speleológia. ― Vydavateľstvo Osveta, 137-150. Martin Krejča F. (2009): Chýnovská jeskyně. ― Inpress a.s., 3-8. České Budějovice Kunský J. (1950): Kras a jeskyně. ― Čs. společnost zeměpisná v Přírodovědeckém nakladatelství, 121-125, 133. Praha Lang M. (2010): Cirkulace vzduchu v jeskynním prostředí (Císařská jeskyně, Moravský kras). ― MS, bakalářská práce. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity. Brno. 12
Mísař Z. – Dudek A. – Havlena V. – Weiss J. (1983): Geologie ČSSR I. Český masiv. ― Státní pedagogické nakladatelství, 51. Praha Musilová Z. (2010): Cirkulace vzduchu v jeskynním prostředí (Zazděná jeskyně, Moravský kras). ― MS, bakalářská práce. Přírodovědecká fakulta Masarykovy univerzity. Brno Přibyl J. – Ložek V. – Kučera B. (1992): Základy karsologie a speleologie. ― Československá akademie věd, 145-152. Praha Russell M. J. – MacLean V. L. (2008): Management issues in a Tasmanian tourist cave: Potential microclimatic impacts of cave modifications. ― Journal of Environmental Management 87(3): 474-483 Sládek P. (2009): Jeskynní mikroklima a radioaktivita. ― In: Mackovčin P. – Sedláček M. (eds.): Chráněná území ČR XIV.: Jeskyně. Agentura ochrany přírody a krajiny ČR a EkoCentrum Brno, 107-109. Praha SHOCart,
spol.
s.r.o.
(2010):
Mapa
polohy
Chýnovské
jeskyně.
―
http://www.mapy.cz/#mm=TP@sa=s@st=s@ssq=ch%C3%BDnovsk%C3%A1%20jeskyn%C 4%9B@sss=1@ssp=120380524_127200972_150199404_150073036@x=133830656@y=13 3500928@z=10. Přečteno 25.10.2010
13
5. Přílohy Příloha 1: Geografická poloha Chýnovské jeskyně (SHOCart, spol. s.r.o.)
Příloha 2: Dračí hlava
14
