MASARYKOVA UNIVERZITA Přírodovědecká fakulta
REŠERŠE K DIPLOMOVÉ PRÁCI G8031 DIPLOMOVÁ PRÁCE - SOUČASNÝ STAV PROBLÉMU V LITERATUŘE
Michal RAKUŠAN
Obsah 1. ÚVOD ............................................................................................................3 1.1 Role CO2 při krasových procesech .........................................................3 1.2 Charakteristika místa studia .....................................................................4 1.2.1 Geografie ............................................................................................4 1.2.2 Geologie ..............................................................................................4 2. SOUHRN LITERÁRNÍCH ÚDAJŮ .............................................................7 2.1 Sezónní změny CO2, toky z půd ..............................................................7 2.2 Ventilace jeskyně ....................................................................................10 2.3 Antropogenní vlivy .................................................................................16 3. METODIKA ................................................................................................21 3.1 Charakteristika monitorovacích míst ......................................................21 3.2 Monitorované parametry, měřící přístroje ..............................................24 SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY .............................................................25
2
1. ÚVOD Oxid uhličitý hraje klíčovou roli při krasových procesech jako je rozpouštění vápenců a růst kalcitových speleotém. Se zvyšujícím se počtem studií (White, 2007; Fairchild et al., 2006b a jiné), které vyuţívají speleotémy jako terestrické archivy paleoklimatických informací, roste i zájem lépe pochopit jak jeskynní klima a změny v koncentraci CO2 v jeskynní atmosféře ovlivňují růst speleotém a jejich sloţení. I přes značné úsilí badatelů nejsou zdaleka všechny otázky spojené s aktuálními koncentracemi CO2 v jeskyních pochopeny. Kromě toho je lepší pochopení chování jeskynního CO2 důleţité pro ochranu navštěvovaných jeskyní jako kulturního dědictví, kde můţe mít antropogenní působení vliv na probíhající procesy. Cílem této práce je lepší pochopení faktorů ovlivňujících aktuální hladiny oxidu uhličitého v jeskyních.
1.1 Role CO2 při krasových procesech V krasovém systému můţeme rozlišit několik zón, kde dochází k různým procesům a interakcím CO2, vody a horniny (Obr. 1). V půdě je CO2 produkováno 2 hlavními procesy: (1) mikrobiologickou degradací organické hmoty a (2) dýcháním kořenového systému. Koncentrace CO2 jsou zde proto běţně 10 aţ 100krát vyšší neţ ve venkovní atmosféře (Lavelle a Spain, 2001).
3
Obr. 1 Koncepční model krasových procesů (upraveno podle Fairchild et al, 2006a) Při interakci sráţkové vody, která drenuje půdní profil, s půdním CO2 dochází k obohacení vody o CO2 a vzniku disociované kyseliny uhličité podle vztahu: H2O + CO2 → H2CO3 Ta disociuje podle rovnic: H2CO3 ↔ H+ + HCO3 – (disociace do 1. stupně) HCO3 – ↔ H+ + CO32– (disociace do 2. stupně) Ve svrchní části epikrasu při kontaktu této vody s karbonátovou horninou dojde k rozpouštění horniny podle vztahu: CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3Při vstupu do prostředí jeskyně, kde se udrţují niţší koncentrace CO2 neţ v půdě (Baldini et al., 2008;
; Spötl et al., 2004 a další), dojde k úniku CO2 do
atmosféry jeskyně, tím se roztok přesytí ke kalcitu jenţ se začne sráţet do podoby krápníků a sintrů podle vztahu: Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3 + H2O + CO2 Tento zjednodušený model nebere v úvahu Mg2+, Na+ a další látky obsaţené v roztoku, stejně tak opomíjí kinetiku a dynamiku rozpouštění, disociací a hraničních reakcí. Obecně platí, ţe rychlost sráţení je úměrná stupni přesycení krasové vody (Fairchild et al., 2006a).
1.2 Charakteristika místa studia
4
1.2.1 Geografie Moravský kras patří mezi nejvýznamnější krasové oblasti ve střední Evropě a je také nejlépe vyvinutým krasovým územím v České republice (Musil et al., 1993). Leţí asi 25 km severně od Brna a zaujímá plochu asi 85 km2 s průměrnou nadmořskou výškou 448 m. Geograficky je Moravský kras součástí většího geomorfologického celku Drahanské vrchoviny v jihovýchodní části České vysočiny (Demek et al., 1987). 1.2.2 Geologie Podloţím paleozoických sedimentů Moravského krasu jsou granitoidní horniny Brněnského masívu (Otava, 2006). Na zvětralý povrch tohoto tělesa se v suchozemském prostředí během spodního devonu uloţily pestrobarevné (nejčastěji červeně zbarvené) klastické sedimenty- tzv. devonská bazální klastika (Musil et al., 1993). Tyto sedimenty mají malou mocnost nebo chybí. Ve středním devonu došlo k transgresi teplého moře a uloţily se aţ 1 km mocné vápence macošského souvrství (Otava, 2006). Nejstarším členem souvrství jsou vavřinecké vápence (Musil et al., 1993), které do nadloţí přechází v tmavě šedé josefovské vápence. Nad nimi jsou uloţeny tmavě šedé lavicovité laţánecké vápence s bohatou útesotvornou faunou. Nejvýše jsou poloţené světlešedé vilémovické vápence. Jednotlivé typy vápenců se opakují v několika cyklech. Nadloţním souvrstvím macošského je souvrství líšeňské, které se skládá z podloţních pestře zbarvených a hlíznatých křtinských vápenců a nadloţních tmavě šedých bitumenózních hádskoříčských vápenců (Musil et al., 1993). Ve střední a severní části Moravského krasu jsou v nadloţí křtinských vápenců ostrovské břidlice, na neţ nasedají břidlice březinské. Nadloţím této facie jsou pak droby protivanovského a rozstáňského souvrství a nad nimi pak slepence myslejovického souvrství (Musil et al., 1993). Po variské orogenezi, doprovázené tektonickými změnami v této oblasti, došlo ve svrchní juře k další mořské transgresi (Otava, 2006). Sedimenty této mořské záplavy se však dochovali pouze v reliktech u Olomučan. V nejvyšší juře došlo k ústupu moře a během spodní křídy vznikly vlivem tektonických pohybů drobné prolomy, ve kterých se usazovaly pestře zbarvené terestrické sedimenty- rudické vrstvy (Musil et al., 1993). Od spodní křídy aţ do svrchní křídy probíhalo na celém území intenzivní zvětrávání.
5
Období terciéru bylo významné z hlediska probíhajícího krasovění a vzniku krasových útvarů, jeskyní a propastí. Na vyzdviţeném povrchu docházelo k erozi, sedimentaci jeskynních sedimentů, tvorbě nejstarších jeskynních úrovní a prohlubování údolí v severní části krasu doprovázené vznikem kaňonů (Otava, 2006). Tuto etapu krasovění ukončila další mořská transgrese ve spodním badenu (Musil et al., 1993). Mořské sedimenty vyplnily krasové ţleby a jiné deprese a bránily dalšímu krasovění. Po regresi moře nastalo vyklizování těchto sedimentů z údolí. V pleistocénu došlo vlivem zalednění v severní části našeho území ke změně klimatu z teplého na chladnější, docházelo ke střídání meziledových a ledových dob a tvořila se trvale zmrzlá půda- permafrost (Musil et al., 1993). Permafrost zabránil pohybu vody v jeskyních a docházelo k povrchovému proudění vod spojeném se sedimentací fluviálních sedimentů.. Mrazové zvětrávání v chladnějších obdobích pleistocénu rovněţ změnilo některé vchody do jeskyní (Musil et al., 1993). Po roztátí permafrostu začátkem holocénu došlo k vyklízení průtočných jeskyní (Musil et al., 1993) a Moravský kras získal dnešní podobu.
6
2. SOUHRN LITERÁRNÍCH ÚDAJŮ Faktory (procesy) ovlivňující vývoj a aktuální koncentrace CO2 v jeskyních lze rozdělit do 2 velkých skupin. První skupinu tvoří procesy díky kterým se CO2 dostává do jeskyně a zvyšuje v nich tak obsah tohoto plynu. Faimon et al. (2008) do této skupiny řadí: a) toky z vnější atmosféry; b) toky z půdního pokryvu nad jeskyní; c) bakteriální oxidace organické hmoty v jeskynních sedimentech; d) difůze plynů z hlubokých zdrojů (např. magmatická aktivita); e) lidská činnost. Druhou skupinu tvoří faktory, jejichţ působením se CO2 z jeskynního prostředí dostává ven a jeho koncentrace se tak sniţují. Sem patří proces jeskynní ventilace.
2.1 Sezónní změny CO2, toky z půd Narozdíl od atmosféry, kde se v průběhu roku udrţují relativně stálé koncentrace CO2 (kolem 350 ppm) a dochází jen k malým fluktuacím, jsou koncentrace tohoto plynu ve většině jeskynní sezónně velmi variabilní, a to převáţně niţší v chladných obdobích a vyšší v teplejších. Podobné sezónní změny v CO2 nalézáme i v půdě (Obr. 2).
7
Obr. 2 Sezónní změny v teplotě a koncentraci CO2 v půdě (Faimon, nepublikovaná data) Tyto změny jsou v našich zeměpisných šířkách ovlivněny různými faktory, zejména však teplotou (Rakušan, 2008). Obecně platí, ţe se zvyšující se teplotou roste i aktivita mikroorganizmů rozkládající organický detrit a tím se zvyšuje i produkce půdního CO2. V zeměpisných šířkách, kde se v průběhu roku teplota mění jen málo, avšak s velkými výkyvy sráţek, je produkce půdního CO2 závislá především na obsahu vody v půdě (Hashimoto et al., 2004). V tomto případě platí, ţe produkce je nejniţší v suchý obdobích a vysoká v obdobích s hojnými sráţkami. Právě díky podobnosti sezónních změn v koncentraci CO2 v půdě a v jeskyni jsou toky CO2 z půd povaţovány za jeden z hlavních faktorů určujících vývoj koncentrací CO2 v jeskynní atmosféře. Bourges et al. (2001 a 2006) rozlišují 2 typy transportu půdního CO2 do jeskyně. Prvním typem jsou přímé toky prostřednictvím větších (více jak 1 cm) puklin, prasklin a zlomů. Tento proces je velmi rychlý a kromě plynů jím můţe být transportována i sráţková voda. Druhým typem je odplyňování skapových vod. Transfer vod je vázán na velmi malé (méně neţ 1 mm) pukliny a póry v hornině a předpokládá se, ţe je velmi pomalý. Proto i transport CO2 trvá delší dobu. Proces odplyňování skapových vod je spjat s růstem speleotém. Baldini et al. (2008) modelovali růst speleotém za různých podmínek a výsledky porovnávali s naměřenými hodnotami ze 2 irských jeskyní. Modelová a měřená data CO2 v půdě a v jeskyni spolu korelují. Tato korelace se u 1. jeskyně významně zvýší, pokud se měřená data za modelovanými zpozdí. Tento fakt autoři interpretují hlubším uloţením jeskyně, kde zpoţdění odpovídá době transferu CO2 z půdy do jeskyně. S tím 8
souhlasí vysoká korelace bez zpoţdění u 2. jeskyně, která je velmi mělce uloţena a má nad sebou i méně mocný půdní pokryv. Hoyos et al. (1997) v jeskyni na severu Španělska pozorovali odlišný trend sezónní závislosti CO2. Nejvyšší hodnoty koncentrací CO2 jsou měřeny v zimních měsících zatímco nejniţší hodnoty v měsících letních (Obr. 3).
Obr. 3 Odlišné sezónní změny v koncentraci CO2 (upraveno podle Hoyos et al., 1997) Tyto odlišné změny autoři povaţují jednak za odraz podobných změn v atmosférickém tlaku, ale především jako odraz sezónní proměnlivosti v mnoţství sráţek, kdy vyšší koncentrace CO2 jsou měřeny za obdobích vysokých sráţkových úhrnů. Tento fakt naznačuje, ţe obsah vody v půdě zde řídí produkci půdního CO2, která se pak odráţí v koncentracích v jeskyni. Baldini et al. (2008) při velmi detailním záznamu dat pozorovali v jeskyních i "24-hodinové vysoko-frekvenční" oscilace v koncentracích CO2 (Obr. 4). Korelační analýzy těchto dat demonstrovaly závislost CO2 na povrchové teplotě vzduchu. Jak autoři uvádějí, tyto změny by mohly být ovlivněny i podobným 24-hodinovým respiračním vegetačním cyklem v půdě, avšak tato moţnost se autorům jeví jako nepravděpodobná vzhledem k dlouhé době transportu CO2 do jeskyně.
9
Obr. 4 Denní změny v koncentraci CO2 (upraveno podle Baldini et al., 2008) Souvislostí mezi půdním a jeskynním prostředím je hojně vyuţíváno při rekonstrukcích
paleoklimatu,
kdy
změny
v
růstu/sloţení
speleotém
bývají
interpretovány jako odrazy změn v řadě paleoenvironmentálních parametrů na povrchu (Genty et al., 2001).
Obr. 5 Sezónní závislosti růstu kalcitu na CO2 (upraveno podle Banner et al., 2007) K otestování těchto hypotéz sledovali Banner et al. (2007) růst speleotém v závislosti na podmínkách v jeskyních. Z výsledků vyplynulo, ţe různé skapy projevují podobné cykly v růstu. Časové změny růstu kalcitu jsou inverzně korelovány s teplotou vzduchu a ve 2 jeskyních jsou korelovány se změnami v koncentracích CO2 (Obr. 5). Nulový růst je zaznamenán vţdy ve stejnou dobu kaţdého roku, od června do srpna, souhlasně s maximálními venkovními teplotami. Závislost růstu speleotém na CO2 byla dobře demonstrována u 3. jeskyně. Zde se po celý rok v jeskyni udrţuje téměř konstantní vysoká koncentrace CO2 a měřený růst zde byl po celý rok rovněţ konstantní a velmi malý. Obdobně Genty et al. (2001) nalezli korelace mezi koncentrací Ca2+ ve skapové vodě a CO2 případně teplotou vzduchu. Banner et al. (2007) dále určili dva hlavní mechanizmy sráţení kalcitu: 1) proměnlivost v rozpuštěném CO2 ve skapové vodě, která je zároveň ovlivněna teplotně závislou produkcí půdního CO2 a 2) Sezónní variace CO2 způsobené ventilací jeskyně. Z výše uvedených informací vyplývá, ţe i kdyţ toky CO2 z půd mohou být přímo zodpovědné za změny koncentrací CO2 v jeskynní atmosféře, nemusí být faktorem jediným. Jako jeden z hlavních faktorů se jeví proces ventilace jeskyně. Dále to můţe být například mixování různých vod, které pak po prosáknutí do jeskyně vykazují malé sezónní změny neodpovídající změnám v jeskyni/v půdách (Spötl et al., 2004).
10
2.2 Ventilace jeskyně Jak bylo uvedeno výše, proces ventilace jeskyně je hlavním procesem, který sniţuje koncentrace CO2 v jeskyni. Všechny jeskyně v nichţ aktivně rostou speleotémy musí vykazovat výměnu plynů s venkovní atmosférou. V opačném případě by akumulace CO2 vytvořila prostředí efektivně eliminující termodynamické hnací síly sráţení kalcitu (Spötl et al., 2004) Milanolo et al. (2009) pozorovali v jeskyni v Bosně a Hercegovině dva odlišné reţimy v různých obdobích roku (Obr. 6). Reţim 1 je pozorován, kdyţ je venkovní teplota vzduchu niţší neţ teplota vzduchu v jeskyni. Při tomto reţimu studený a hustší venkovní vzduch vniká do jeskyně a nahrazuje (vytěsňuje) relativně teplejší a méně hustší vzduch jeskynní. Ten teče skrze chodby směrem k východu. Díky tomuto pohybu dosahují koncentrace CO2 nejniţších hodnot. Reţim 2 je naopak pozorován, kdyţ je vnější teplota vzduchu vyšší neţ v teplota vzduchu v jeskyni. Chladný a hustší jeskyní vzduch je v tomto případě drţen v jeskyni, cirkulace s venkovní atmosférou je zastavena a CO2 dosahuje nejvyšších hodnot koncentrací. Uvnitř samotné jeskyně však k cirkulaci docházet můţe, pokud jsou v různých částech jeskyně rozdílné teploty vzduchu.
Tvenk. < Tjesk.
Tvenk. > Tjesk.
Obr. 6 Ventilace statické jeskyně (upraveno podle Milanolo et al., 2009) Výše popsaný proces ventilace se objevuje u jeskyních nazývaných statické jeskyně. Tyto jeskyně mají pouze jeden vchod, případně dva ve stejné nadmořské výšce. Milanolo et al. (2009) dále v jeskyni provedli analýzu prostorové distribuce CO2. Z
11
výsledků vyplynula závislost morfologie na průběh ventilace a potvrdila se stagnace ventilace v teplých obdobích (Obr. 7).
Vchod
Vchod
Obr. 7 Analýza prostorové distribuce CO2 (upraveno podle Milanolo et al., 2009) V chladných obdobích, při probíhající ventilaci je poblíţ vchodu a v přiléhajících rovných chodbách velmi podobná nízká koncentrace CO2, coţ poukazuje na dobře mísitelné prostředí. Vzdálenější část jeskyně oddělená od ostatních částí úzkou chodbou jiţ má vyšší koncentrace CO2. Naopak v teplých obdobích, kdy ventilace jeskyně stagnuje je vidět téměř uniformní rozloţení koncentrací CO2 po celé jeskyni. Podobný trend stoupajících koncentrací od vchodu směrem ke vzdálenějším částem jeskyně nalezli Baldini et al. (2006) v jeskyni v jiţním Irsku (Obr. 8). Regresní analýza dat ukázala vyšší korelaci neţ v případě starší publikované práce (Ek a Gewelt, 1985). Vyšší korelace dat z irské jeskyně je vysvětlována přítomností chodeb a prostor malých rozměrů.
12
Obr. 8 Koncentrace CO2 proti vzdálenosti (upraveno podle Baldini et al., 2006) Bourges et al. (2006) při pětiletém monitoringu francouzské jeskyně L´Aven d´Orgnac odhalili stejné střídání 2 reţimů, které byly rovněţ téměř synchronní s venkovními obdobími. Detailním monitorováním a uţitím teplotního profilování v různých částech jeskyně popsali jak probíhá nástup zimního reţimu (Obr. 9). Jak je vidět z obrázku, nástup tzv. zimního reţimu se projevuje ve všech měřených parametrech. Během první studené noci 15. října venkovní teplota vzduchu poklesla pod teplotu vzduchu v jeskyni a setrvala tak i další dvě noci. To bylo spojeno s poklesem koncentrací CO2,
222
Rn a relativní vlhkosti v první jeskynní místnosti (SDJ), která leţí
nejblíţe vchodu. Návrat k vyšším venkovním teplotám v následujícím týdnu byl provázen téměř kompletním zotavením všech parametrů v jeskyni během 3 dnů. V noci 25. října došlo k dalšímu poklesu venkovní teploty vzduchu, který byl opět následován poklesem parametrů v jeskyni. Narozdíl od předcházející situace je tento pokles následován uţ jenom částečným zotavením všech parametrů v jeskyni. Od 5. listopadu, kdy teploty trvale poklesly pod 5°C se jiţ plně ustanovil zimní reţim.
13
Obr. 9 Nástup zimního režimu ve ventilaci (upraveno podle Bourges et al., 2006) Přepínání jednotlivých reţimů je v dalších částech zpoţděno (Obr.10). Autoři tento fakt vysvětlují termo-konvektivním mechanizmem proudění vzduchu. V létě mají všechny prostory jeskyně stálé sloţení atmosféry. Kaţdou zimu, kdy poklesne venkovní teplota vzduchu, vznikne v prostorách nejblíţe vchodu (SDJ) teplotní gradient, který má za následek tok venkovního vzduchu do jeskyně a dále změnu sloţení jeskynní atmosféry spojenou s poklesem teploty v této části jeskyně. Tímto poklesem vzniká teplotní gradient mezi prostorami nejblíţe vchodu (SDJ) a vzdálenější částí jeskyně (GC). Posun tohoto gradientu má tedy za následek postup zimního reţimu do vzdálenějších částí jeskyně. Teplotní profilování, kdy ve vybraných částech jeskynního systému autoři umístili nad sebe několik teplotních čidel ukázaly, ţe nejvyšší teploty byly měřeny ve střední výšce profilu a nejniţší u podlahy a stropu jeskyně. Tento fakt naznačuje, ţe teplejší vzduch ze vzdálenějších částí jeskyně teče směrem k východu a postupně se ochlazuje kontaktem se stěnami jeskyně.
14
Obr. 10 Postup zimního režimu ventilace (upraveno podle Bourges et al.,2006) Ve velmi vzdálené části jeskyně Bourges et al. (2006) pozorovali velmi stabilní prostředí s malými změnami a nikdy nezaznamenali zásah zimního reţimu ventilace. Měřená data vykazovaly půldenní signál. Podobný signál zaznamenali autoři v atmosférickém tlaku a domnívají se, ţe ve velmi vzdálených částech jeskyně mohou být drobné změny v teplotě a sloţení atmosféry korelovány právě se změnami atmosférického tlaku. Rovněţ pomocí teplotního gradientu popsali Fernandes-Cortes et al. (2006) výměnu vzduchu mezi jeskyní a okolní venkovní atmosférou. Autoři navíc rozlišili dva typy tohoto gradientu. Prvním typem je částečný termální gradient. Nastává tehdy, kdy venkovní teplota vzduchu je niţší neţ teplota v prostoru jeskyně nejblíţe vchodu a teploty dále v jeskyni jsou niţší neţ u vchodu. Během tohoto stavu je cirkulace vzduchu omezena pouze na vstupní prostory a venkovní atmosféru. Druhý typ, totální termální gradient, je pozorován, kdyţ je venkovní teplota vzduchu niţší neţ ve vstupních částech jeskyně a zároveň vzdálenější části jeskyně mají teplotu vzduchu vyšší neţ vstupní části. Během tohoto stavu můţe studený venkovní vzduch pronikat i do vzdálenějších částí jeskyně. Z výsledků pozorování dále vyplynulo, ţe nejméně dochází ke vzniku teplotních gradientů v letním období, zatímco nejvíce v zimním. Častěji také dochází k ustavování částečného termálního gradientu. Odlišné proudění vzduchu zaznamenali Spötl et al. u jeskyně Obir Cave v Rakousku. Tento typ dynamické jeskyně má 2 různé vchody, kaţdý v jiné nadmořské 15
výšce. Během teplých období studený jeskynní vzduch klesá od horního vchodu a jeskyni opouští vchodem spodním. Během chladných období se směr proudění obrátí (Obr. 11).
Obr.11 Příklad dynamicky ventilované jeskyně (upraveno podle Spötl et al., 2004) Sezóně se opakující toky mezi niţším a vyšším vchodem jsou iniciovány tlakovým gradientem určeným teplotními změnami mezi vnějškem a vnitřkem jeskyně. Během zimy prochází CO2 chudý vzduch niţším vchodem, stoupá k vchodu hornímu a ohřívá se. Vysoký rozdíl v obsahu CO2 mezi tímto vzduchem a skapovou vodou má za následek odplynění vody a sráţení kalcitu. V létě, kdy vzduch prochází horním vchodem, který je tvořen krasovými puklinami krytými půdou, je rozdíl v koncentracích CO2 ve vzduchu a skapové vodě malý a ke sráţení kalcitu téměř nedochází. K odlišným poznatkům dospěli při studiu jeskyně v severozápadním Irsku Baldini et al. (2008). Během konce léta byla zaznamenána silná ventilace a koncentrace CO2 byla záporně korelována s teplotou vzduchu v jeskyni (Obr. 12). Během 1. listopadu došlo k posunu polarity v korelaci a oba parametry spolu velmi dobře korelovaly. Tento posun nastal, kdyţ venkovní teplota vzduchu spadla pod hodnotu průměrné teploty vzduchu v jeskyni, coţ naznačuje, ţe ventilace přetrvávala, ale změnil se charakter vzduchu z teplého CO2 chudého (letního) na studený CO2 chudý (zimní) vzduch. Asi po třech týdnech se těsná korelace vytratila a tento stav přetrval aţ na konec monitorovacího období. Tento fakt naznačuje mnohem slabší zimní ventilaci jeskyně. Skutečnost, ţe k ventilaci dochází především v letních obdobích, autoři interpretují jako důsledek jiné geometrie jeskyně a nízkým sezónním změnám v teplotě vzduchu na lokalitě.
16
Obr. 12 Korelace jeskynní teploty vzduchu a CO2 (upraveno podle Baldini et al., 2008)
2.3 Antropogenní vlivy Jeskyně jiţ od pradávna přitahovaly pozornost člověka. První lidé v nich hledali úkryt před nepříznivými obdobími či predátory. V současnosti jsou však jeskyně vyhledávány především jako turistické atrakce. Je tedy zřejmé, ţe člověk do jisté míry ovlivňuje jeskynní prostředí. První moţností jak člověk působí na jeskynní atmosféru je jeho samotná přítomnost spojená s vydechováním CO2.
monitoring CO2
v navštěvované jeskyni ve Španělsku. Z výsledků korelačních analýz (Obr. 13) vyplynula řada závislostí. Jasná korelace byla pozorována mezi počtem návštěvníků a koncentrací CO2 a během měsíců s malou návštěvností (leden) šlo jedinou pozorovanou korelaci. Dále posuzovali vliv ventilace a nalezli jasnou korelaci mezi rozdílem teplot vzduchu vně/uvnitř jeskyně a CO2 od února do května, přičemţ v květnu (měsíci s největší návštěvností) to byla opět jediná pozorovaná korelace. Negativní korelaci mezi rozdílem teplot vzduchu a CO2 nalezli autoři od června do září.
17
Obr. 13 Korelační analýzy během roku (upraveno podle Z výsledků rovněţ vyplynulo, ţe pokud během chladných zimních měsíců vzroste rozdíl teplot vzduchu vně/uvnitř jeskyně, vzroste i koncentrace CO2. Tento protichůdný fakt (vyšší rozdíl zefektivní proces ventilace a koncentrace CO2 by se měla sniţovat) je interpretován tak, ţe vyvětraná jeskyně je schopna akumulovat vyšší antropogenní příspěvek, coţ podporuje i výše uvedený fakt, ţe v těchto měsících je jediná pozorovaná
18
korelace mezi počtem návštěvníků a koncentrací CO2. Během léta je korelace mezi rozdílem teplot vzduchu vně/uvnitř jeskyně a koncentrací CO2 negativní a pokud tento rozdíl vzroste tak koncentrace CO2 poklesne. Faimon et al. (2006) provedli studii, při které sledovali vývoj koncentrací CO2 za různých podmínek ventilace a při pobytu různě velkých skupin osob (Obr. 14). Místo studia - Císařská jeskyně v Moravském krasu je vyuţívána pro speleoterapii. Jde o dynamicky ventilovanou jeskyni, přičemţ kaţdý ze dvou vchodů je osazen ocelovými dveřmi s uzavíratelnými okénky. Během prvního měření 1.-2. března bylo v jeskyni přítomna 1 skupina lidí. Po opuštění osob počáteční koncentrace CO2 v jeskyni vzrostla, ale díky probíhající ventilaci se během asi 20 hodin vrátila na svoji původní hodnotu. Při druhém pozorování 9.-10. března bylo v jeskyni přítomny dvě skupiny lidí ve dvou časových úsecích po sobě. Počáteční hodnota koncentrace CO2 opět narostla a i v tomto případě se díky ventilaci vrátila na původní úroveň během 23 hodin.
Obr. 14 Vývoj CO2 při různé ventilaci (upraveno podle Faimona et al., 2006) Třetí měření bylo prováděno se zavřenými dveřními okénky, tedy za redukované ventilace. V jeskyni byly přítomny opět dvě skupiny lidí v krátkém sledu po sobě. Za těchto podmínek po počátečním nárůstu koncentrace CO2 klesala jen velmi pomalu a ani po 23 hodinách nedosáhla původní hodnoty. Autoři také provedli modelování geochemických parametrů skapových vod. Z výsledků vyplynulo, ţe navzdory antropogennímu uvolňování oxidu uhličitého, hodnoty koncentrací tohoto plynu v jeskynní atmosféře nedosáhly rovnováţných koncentrací se skapovou vodou. 19
Důsledkem je, ţe vody budou i nadále odplyňovat a produkovat kalcitové speleotémy. K podobným závěrům dospěli ve své studii i Hoyos et al. (1996), přičemţ jimi pozorované dopady na jeskyní atmosféru byly ještě menší. Song et al. (2000) dospěli při studiu hojně navštěvované jeskyně v Číně k odlišným výsledkům. V jeskyni, která je jen velmi slabě ventilována maximální koncentrace CO2 korespondují s počtem návštěvníků (Obr. 15). Při průchodu návštěvníků jeskyní stoupaly i koncentrace CO2. Po uzavření jeskyně koncentrace klesaly na původní hodnotu. Pokud se však na tuto hodnotu nedokázaly vrátit, tak se následující návštěvní den koncentrace opět více navyšovaly. Růst teploty je způsoben jednak samotnou přítomností návštěvníků, ale i osvětlovacími zařízeními v jeskyni.
Obr. 15 Vliv návštěvníků na CO2 a teplotu v jeskyni (upraveno podle Song et al., 2000) Tato jeskyně má velmi sloţité morfologické uspořádání, coţ silně ovlivňuje akumulace CO2 (Obr. 16). Obrázek 16 jasně demonstruje vliv objemu jeskynní prostory na akumulaci CO2. Ačkoli byl u první měřící lokality počet návštěvníků o 1000 osob větší neţ u druhé, koncentrace CO2 byly u druhé měřící lokality podstatně vyšší. Tento fakt je dán velikostí obou prostor. Lokalita 1 leţí uprostřed velkého dómu s objemem odhadnutým na 43 400 m3, a proto zde CO2 má moţnost difundovat do velkého prostoru. Lokalita 2 je malá prostora s objemem jen asi 100 m3 od okolních prostor oddělena velmi úzkými vstupy. Vývoj koncentrací zde jeví také odlišné chování. Při poklesu počtu návštěvníků po uzavření jeskyně začne koncentrace CO2 u lokality 1
20
ihned klesat, zatímco u lokality 2 pokračuje v mírném růstu a začne klesat aţ po uplynutí určité doby.
Obr. 16 Vývoj koncentrací CO2 na různých místech (upraveno podle Song et al., 2000) Z výše uvedených faktů vyplývá další moţnost jak můţe člověk ovlivňovat jeskynní prostředí. Jeskyně má přirozenou schopnost (ventilace) sniţovat koncentrace CO2, ale působením člověka například osazením dveří do vstupů jeskyně, vybudování nových vstupů či zničení původních můţe tuto schopnost pozměnit nebo i úplně redukovat.
3. METODIKA 3.1 Charakteristika monitorovacích míst 21
Data prezentovaná v této práci byla naměřena ve dvou vybraných jeskyních ve střední části Moravského krasu. První lokalita - Amatérská jeskyně leţí asi 6 km východně od města Blansko (Obr. 17). Druhá lokalita - jeskyně Býčí skála leţí asi 7 km jiţně od města Blansko (Obr. 17).
Zdroj: www.mapy.cz
Obr. 17 Mapa území s vyznačenou pozicí jeskyní A - Amatérská jeskyně, B - jeskyně Býčí skála Amatérská jeskyně je největším jeskynním systém Moravského krasu a zároveň i České republiky. Systém podzemních chodeb má tvar písmene Y a je vázán na tři vodní toky. Ze severu přitékající Sloupský potok se spojuje s Bílou vodou a dávají vzniknout podzemní říčce Punkvě. Vzhledem k rozsáhlosti celého jeskynního sytému bylo monitorování parametrů soustředěno do oblasti tzv. Západní macošské větve Nové Amatérské jeskyně (Obr. 18). Do jeskyně se vstupuje uměle vybudovanou štolou, jejíţ ústí je zaloţeno v levé stráni Pustého ţlebu (393 m n. m.). Štola byla po svém vybudování osazena 2 plechovými dveřmi a je tak hermeticky uzavřena od okolí. Po sestupu 67 m dlouhou štolou se dostaneme k Javorové chodbě, kde je umístěn 1. monitorovací bod. Směrem k severu chodba pokračuje do hlavních částí Amatérské jeskyně. Zde původně bylo volné pokračování malých rozměrů, a proto zde byla vyraţena další štola usnadňující přístup (Audy et al., 2000). Za štolou pokračuje chodba ke schodišti pod kterým ústí do Západní macošské větve (370 m n. m.). Ta má své
22
pokračování buď na jih (vpravo) do Absolonova dómu (2. monitorovací bod) a z něj pokračující strmě klesající chodbou přes Bahnitá jezírka (3. monitorovací bod) k
Obr. 18 Schematický plánek části Nové Amatérské jeskyně se žlutě vyznačenými monitorovacími místy (Balák, nepublikovaná práce) říčce Punkvě nebo na sever (vlevo) rozměrnou chodbou (4., 5., a 6. monitorovací bod) s bohatou krápníkovou výzdobou. Koncové části Západní macošské větve tvoří Dóm Pestré jíly (7. monitorovací bod) a Zával tvořený velkými vápencovými bloky, které přehrazují další pokračování a je nutné mezi nimi prolézt. Za Závalem Západní macošská větev končí v Dómu Roztoka (8. monitorovací bod) a napojuje se na Macošský koridor. V celé Západní macošské větvi existovaly a místy existují jedny z nejvýznamnějších sedimentárních profilů celé Nové Amatérské jeskyně (Audy et al. 2000), a proto bylo prováděno měření ve vyhloubených sondách na monitorovacích bodech číslo 2, 3 a 7. Jeskyně Býčí skála je známa především díky archeologickým nálezům, ale mezi zajímavý fakt patří i to, ţe v jeskyni není ţádná nebo jen velmi malá krápníková
23
výzdoba. Dříve slouţila Býčí skála jako mohutný vývěr Jedovnického potoka (Absolon, 1970). Oblasti monitorování leţí v tzv. Staré Býčí skále a z části i v Nové Býčí skále (Obr. 19). Původní vchod do Býčí skály se nepouţívá jiţ od 18. století, kdy byl vyraţen
Obr. 19 Schematický plánek části jeskyně Býčí skála se žlutě vyznačenými monitorovacími místy (Balák, nepublikovaná práce) vchod nový, několik metrů vlevo od původního. Tento vchod vede hned do první velké prostory - Předsíně, kde je umístěn 1. monitorovací bod. Za 2. světové války zde německá armáda prováděla stavební úpravy a došlo mimo jiné k vybudování zdi oddělující Předsíň od zbytku jeskyně (Absolon, 1970). Tato zeď je dnes odstraněna, a tak se mírně stoupající chodbou dostaneme do 2. dómu (2. monitorovací bod). Odtud vede velká široká chodba do další velké prostory nazývané Obří komín podle velé stropní průrvy (3. monitorovací bod). Odtud dále vede asi 30m dlouhá tunelovitá chodba, která se na konci rozšiřuje a tvoří sestupný prostor bývalého konce Staré Býčí skály, a to Šenkova sifonu (4. monitorovací bod). Sifon v nejspodnější části zahýbá prudce doprava a po stoupání dále pokračuje chodba aţ k řečišti Jedovnického potoka. Zde se přes několik betonových můstků prochází do prostory nazývané Velká síň (5. 24
monitorovací bod), ve které se při levé straně potoka nachází mocná akumulace jeskynních sedimentů. I zde bylo na monitorovacích bodech číslo 2, 3 a 5 prováděno měření ve vyhloubených sondách
3.2 Monitorované parametry, měřící přístroje Mezi monitorované parametry v obou jeskyních patří především koncentrace CO2 v jeskynní atmosféře. Měření koncentrace CO2 bylo také prováděno v ručně hloubených asi 20 cm hlubokých sondách v jeskynních sedimentech. Měření koncentrací CO2 probíhalo univerzálním měřícím přístrojem ALMEMO 2290-4 s infračerveným detektorem FYA600CO2H (Ahlborn, Germany). Dalšími měřenými parametry byla teplota a relativní vlhkost vzduchu měřené digitálním vlhko/teploměrem (Greisinger electronic, GmbH, Germany). Monitoring všech parametrů probíhal nepravidelně od listopadu 2008 do března 2010. Naměřená data byla posléze graficky zpracována v programu MS Office Excel 2003.
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Absolon, K. (1970): Moravský kras 2. Academia. Praha.
25
Audy, M. – Balák, I. – Beneš, L. – Hanţl, P. – Hladil, J. – Kovařík, M. – Mlejnek, R. – Motyčka, Z. – Otava, J. – Piškula, M. – Polák, P. – Sirotek, J. – Slobodník, M. – Štefka, L. – Vašátko, J. – Vít, J. (2000): Amatérská jeskyně. Česká speleologická společnost. Praha. Baldini, J. U. L. – Baldini, L. M. –McDermott, F. – Clipson, N. (2006): Carbon dioxide sources, sinks, and spacial variability in shallow temperate zone caves: Evidence from Ballynamintra Cave, Ireland — Journal of Cave and Karst Studies, 68, 1, 4-11. Baldini, J. U. L. – McDermott, F. – Hoffmann, D. L. – Richards, D. A. – Clipson, N. (2008): Very high-frequency and seasonal cave atmosphere PCO2 variability: Implications for stalagmite growth and oxygen isotope-based paleoclimate records — Earth and Planetary Science Letters, 272, 1, 118-129. Elsevier. Banner, J. L. – Guilfoyle, A. – James, E. W. – Stern, L. A. – Musgrove, M. (2007): Seasonal variations in modern speleothem calcite growth in Central Texas, U. S. A. — Journal of Sedimentary Research, 77, 615-622. Bourges, F. – Mangin, M. – d´Hulst, D. (2001): Le gaz carbonique dans la dynamique de l´atmosphère des cavités karstiques: l´example de l´Aven d´Orgnac (Ardèche). Carbon dioxide in karst cavity atmosphere dynamics: the example of the Aven d'Orgnac (Ardèche) — Earth Planet Sci, 333, 685–92. Bourges, F. – Genthon, P. – Mangin, A. – d´Hulst, D. (2006): Microclimates of L´Aven d´Orgnac and other french limestone caves (Chauvet, Esparros, Marsoulas) — International Journal of Climatology, 26, 1651-1670. Demek, J., – Balatka, B., – Bůček, A. – Czudek, T. – Dědečková, M. – Hrádek, M. – Ivan, A. – Lacina, J. – Loučková J. – Rausner, J. – Stehlík, O. – Sládek, J. – Vaněčková, L. – Vašátko, J. (1987): Zeměpisný lexikon ČSR, Hory a níţiny. Academia. Praha. Ek, C. – Gewelt, M. (1985): Carbon-dioxide in cave atmosphere - New results in Belgium and comparison with some other countries — Earth Surface Processes and Landforms, 10, 2, 173-187. Faimon, J. – Štelcl, J. – Sas, D. (2006): Anthropogenic CO2-flux into cave atmosphere and its environmental inpact: A case study in the Císařská Cave (Moravian Karst, Czech Republic) — Science of the Total Environment, 3, 69, 231-245. Elsevier. Fairchild, I.J. – Frisia, S. – Borsato, A. – Tooth, A. F. (2006a): Speleothems. In: Geochemical Sediments and Landscapes (ed. Nash, D. J., McLaren, S.J.). Blackwells. Fairchild, I. J. – Smith, C. L. – Baker, A. – Fuller, L. – Spötl, Ch. – Mattey, D. – McDermott, F. (2006b): Modification and preservations of environmental signals in speleothems — Earth- Science Reviews, 75, 2, 105-153. Elsevier. Fernandes-Cortes, A. – Calaforra, J. M. – Sanchez-Martos, F. (2006): Spatiotemporal analysis of air conditions as a tool for the environmental management of a show cave (Cueva del Agua, Spain) — Atmospheric Enivironment, 40, 7378-7394.
26
Genty, D. – Baker, A. – Vokla, B. (2001): Intra- and inter-annual growth rate of modern stalagmites — Chemical Geology, 176, 191-212. Elsevier. Hashimoto, S. – Tanaka, N. – Suzuki, M. – Inoue, A. – Takizawa, H. – Kosaka, I. – Tanaka, K. – Tantasirin, Ch. – Tangtham, N. (2004): Soil respiration and soil CO2 concentration in a tropical forest, Thailand — Journal of Forest Research, 9, 1, 75-79. Springer. Hoyos, M. – Soler, V. – Ca – Sánchez-Moral, S. – Sanz-Rubio, E. (1997): Microclimatic characterization of a karstic cave: human impact on microenvironmental parameters of prehistoric rock art cave (Candamo Cave, northern Spain) — Environmental Geology, 33, 4, 231-242. Springer. Lavelle, P. – Spain, A. V. (2001): Soil Ecology. Kluwer Academic Publishers. – Vadillo, I. – Carrasco, F. (2008): Carbon dioxide concentration in air within the Nerja Cave (Malaga, Andalusia, Spain) — International Journal of Speleology, 37, 2, 99-106. Bologna. Milanolo, S. – Gabrovšek, F. (2009): Analysis of Carbon Dioxide Variations in the Atmosphere of Srednja Bijambarska Cave, Bosnia and Herzegovina — Boundary-Layer Meteorology, 131, 3, 479-493. Springer. Musil, R. – Balák, I. – Demek, J., – Dvořák, J. – Gaisler, J. – Grolich, V. – Havel, H. – Hypr, D. – Loţek, V. – Přibyl, J. – Quitt, E. – Raušer, J. – Slezák, L. – Souchopová, V. – Štelcl, O. – Štefka, L. – Valoch, K. – Vaněčková, L. – Vašátko, J. – Vlček, V. – Vodička, J. – Zima, J. (1993): Moravský kras, Labyrinty poznání. J. Bliţňák, Adamov. Otava, J. (2006): Geologie Moravského krasu ve vztahu k ţivé přírodě — Ochrana přírody, 61, 8, 230-232. Praha. Song, L. – Wei, X. – Liang, F. (2000): The influences of cave tourism on CO2 and temperature in Baiyun Cave, Hebei, China — Internationa Journal of Speleology, 29 B, 77-87. Spötl, C. – Fairchild, I. J. – Tooth, A. F. (2004): Cave air control on dripwater chemistry, Obir Caves (Austria): Implications for speleothem deposition in dinamically ventilated caves — Geochim. Cosmochim. Acta, 69, 10, 2451-2468. Elsevier. White, W.B. (2007): Cave sediments and paleoclimate — Journal of Cave and Karst studies, 69, 1, 76-93.
27
