Arnoldka - mikroklima

Jeskynní mikroklima (speleoklima) čili relativně uzavřené a tím specifické vzdušné prostředí uvnitř jeskyně charakterizují vlastnosti: teplota, vzdušná vlhkost, tlak, proudění vzduchu a také výskyt různých koncentrací plynných látek, aerosolů a lehkých atmosférických iontů. Následující řádky uvádějí pouze náznak problematiky jeskynního mikroklimatu ve vztahu k měření v jeskyních Arnoldka (a Čeřinka). Zájemci o hlubší studium těchto jevů v obecné rovině, nechť vyhledají odborné práce na toto téma.

 

1. Proudění a relativní vlhkost vzduchu

Dosud se v Arnoldce měřením relativní vlhkosti vzduchu patrně nikdo hlouběji nezabýval, ale lze předpokládat, že ve většině prostor bude stálá a velmi vysoká (90%<x<100%), především v Hlavním tahu, Panoptikálním tahu, Mlaskačce, Salonkách. Podle pocitových vjemů a sušších sedimentů lze uvažovat, že nejnižší vzdušnou vlhkostí disponuje jz.část Bludiště, Potoční chodba, Poradní dóm, tedy místa, kde dochází k proudění vzduchu vlivem rozdílných výšek vchodů.

Toto dynamické chování nalézáme tedy především v úseku: Horní vchod - Mezižebříková ch. - Tobogán (Stoupačka) - Poradní dóm - Potoční ch. - Dóm Naděje - Bludná ch. - Jídelna - Vstupní ch. - Spodní vchod; dále v méně znatelné míře v prostorách směřujících ke slabším ventarolám (výduchům) ve stěnách lomu: z Richardovy sluje, z Kalcitky do Brutusonu, patrně i z okolí Průvanové ch. do Štěpánské propástky a v minimální míře i z chodby U zaroseného netopýra. Ventarola z Richardovy sluje a Štěpánská propástka však byly zasypány v r.2012 postupujícím odvalem lomu.

Stěžejní dynamiku (průvan) tedy způsobuje "komínový efekt" mezi horním a spodním vchodem o převýšení 26,5 m, přesněji mezi jejich nepřetržitě otevřenými vletovými otvory pro netopýry. Rozdílná teplota vzduchu uvnitř a vně jeskyně za přispění případných výkyvů atmosférického tlaku udává směr a rychlost jeho proudění. Vlivem rozdílných hustot teplejší - lehčí - vzduch stoupá a chladnější - těžší - klesá, což se mimo jiné projevuje v zimě vytátým sněhem, případně sloupem páry u horního vchodu a v létě vytékáním studeného vzduchu ze spodního vchodu. K obratu směru proudění dochází teprve po stavu vyrovnání teplot (v globálu na jaře a na podzim). Tento jev zajišťuje pozvolnou výměnu ovzduší v Bludišti a přilehlých částech po Příbův dóm. Bohužel stanovení dílčích směrů proudění a rolí ostatních ventarol by vyžadovalo podrobná dlouhodobá pozorování a to navíc při různých stavech teplot, tlaku a povrchového proudění vzduchu (větru).

V "tazích" ležících pod Příbovým dómem je již prostředí statické a k obměně může docházet jen pokud v partiích nad dómem poklesne teplota pod hodnotu v dómu a níže ležících prostorách, pomineme-li případné vlivy pohybu osob.

 

2. Teplota vzduchu

S prouděním vzduchu také souvisí teplotní stálost, resp. proměnlivost.

První etapa měření:

Od léta 2008 do léta 2010 byla v jeskyních v Paní hoře umístěna čidla sledující teplotu vzduchu. Čidla spínala po 2 resp. 3,5 a 4 hodinách s rozlišovací schopností 0,35°C. Umístění čidel bylo voleno podle určitého logického záměru. Čidla 1 a 2 snímala teploty v jeskyni Čeřinka (viz příslušná kapitola). Čidlo 3 bylo uloženo do portálu jeskyně Gabriela a jeho úkolem bylo snímat venkovní teplotu a nezničené a neukradené přežít. Pro čtvrtou sadu měření bylo již čidlo umístěno na severně orientovaném balkónu staré trafostanice v areálu Solvayových lomů, neboť k jeskyni se postupně přiblížila výsypka. A konečně čidla 4, 5 a 6 odečítala Arnoldku. Čidlo 4 bylo umístěno v Jídelně na počvě spodní úrovně v přímém větrném směru mezi Vstupní a Bludnou chodbou. Záměrem bylo sledovat vývoj teplot hlavně v zimním období, kdy Vstupní chodbou přichází do Bludiště studený vzduch od Spodního vchodu. Čidlo 5 snímalo nejníže ze všech a to na dně propasti Dračí tlama v Panoptikálním tahu. Místo bylo zvoleno s ohledem k minimálnímu ovlivňování speleology či případnými odbornými exkurzemi, neboť Panoptikální tah zpravidla zůstává stranou zájmu. Od čidla byl očekáván prakticky konstantní výstup vzhledem k předpokladu velmi statického chování obou "tahů". Čidlo 6 v Mezižebříkové chodbě bylo protipólem čidla v Jídelně a očekáván byl vzestup teplot v letních měsících, neboť od Horního vchodu je sem vtahován teplý vzduch. Čidla byla po dobu snímání ukryta v plastových krabicích a to nejen z důvodu neovlivňování čidel přítomností člověka, ale hlavně, aby se jim něco nestalo :).

Výsledkem pozorování je pro jednotlivá čidla toto (podrobněji v grafech):

3-Gabriela, resp.Solvayovy lomy (venkovní teplota): maximum v Gabriele +32,5°C (23.7.2009); minimum -16,5°C (27.1.2010). Od 2/2010 čidlo umístěno na balkóně severní strany bývalé "staré" trafostanice v Solvayových lomech.

4-Jídelna: nejvyšší teplota +8,6°C (srpen, obvyklá); nejnižší teplota +5,2°C (27.1. a 10.3.2010, vždy pouze 1x); rychlá reakce na velké poklesy venkovní teploty v zimním období.

5-Dračí tlama: konstantní teplota +8,6°C, resp.v létě 2010 +8,9°C; ale (!): v období 1/2009-6/2009 vzestup až na 10,7°C (?)...... pravděpodobně chybové měření.

6-Mezižebříková chodba: nejvyšší teplota +12,2°C (11.6.2010, zaznamenáno pouze 1x); nejnižší teplota 8,6°C (zřídka v zimním období); rychlá reakce na velké vzestupy venkovní teploty v letním období.

Poznámka 1: teplota cca 8-9°C odpovídá průměrné teplotě v oblasti (meteostanice Chrustenice-Na Radosti: 2008:+9,1°C; 2009:+8,9°C; 2010:+7,7°C).

Poznámka 2: rozlišovací schopnost čidel 0,35°C; přesnost udávaná výrobcem: ±0,2°C.

Poznámka 3: přístroj Radim 3A, který měřil v období 11.7.-2.8.2008 objemovou aktivitu radonu v Táborovém dómku na Hlavním tahu, setrvale zapisoval hodnotu 8,2-8,3°C.

Speciální poděkování Robertu Švajdovi.

Grafický výstup z teplotních čidel

9.8.2008 - 13.12.2008

23.12.2008 - 27.6.2009

9.7.2009 - 6.2.2010

13.2.2010 - 1.9.2010

 

Umístění teplotních čidel

č.

lokalizace čidla

nadmořská výška

1 Čeřinka - Apsida 383 m n/m
2 Čeřinka - První horizont 382 m n/m
3 Gabriela - portál 377 m n/m
4 Arnoldka - Jídelna 366 m n/m
5 Arnoldka - Dračí tlama 332 m n/m
6 Arnoldka - Mezižebříková ch. 379 m n/m

Poznámka na závěr: pro další etapy měření teplot je žádoucí použití metody (čidel) s jemnější rozlišovací schopností.

 

Druhá etapa měření:

Od března 2013 do ledna 2015 probíhalo na vybraných místech Arnoldky pravidelné čtvrtletní měření teplot. Vybraných míst bylo zhruba 37 dle aktuální hydrologické situace a vývoje pohledu na průběžné výsledky měření. Jako teplotních "konzerv" bylo využito 1,5 litrových PET-lahví. K měření se používalo převážně analogových laboratorních rtuťových teploměrů o dělení 0,1°C. Výsledky měření jsou ve stádiu vyhodnocování.

 

3. Stav oxidu uhličitého

Jak již bylo řečeno výše, míra obměny ovzduší pod Příbovým dómem se snižuje s klesající hloubkou, zejména pod zaškrcením chodeb plazivkami (tedy pod Balvaništěm a pod Bahnitým průkopem). Přesto alespoň k částečnému ředění dochází, srovnáme-li současný stav se situací před otvírkou horního vchodu, kdy bylo v květnu 1974 pro nedýchatelnost nutné ustat v prolongačních pracích na "dně" Hlavního tahu. Rovněž problematické byly prolongace na "dně" Panoptikálního tahu a to i po zajištění dynamického oběhu vzduchu ve svrchních partiích jeskyně ("dnem" je míněno nejníže ležící místo zmiňovaných chodeb). Příkladně po vrtání zhruba 50 bodů polygonového pořadu v Panoptikálním tahu (ruční vrtačky, 14., 17., 19. a 21.8.1993) se ovzduší ve Vysokém dómu dostalo na hranici dýchatelnosti a následné měření oxidu uhličitého ukázalo hodnotu 6% (9.10.1993; ruční prosávač + detekční trubičky).

Stav oxidu uhličitého v Arnoldce dokumentuje např. měření digitálním detektorem CO2 ze dne 11.7.2008 (viz mapa). Jak je vidět na "větrném okruhu" a v jeho okolí včetně nejnižších míst Mlaskačky a Salonků nepřekročila koncentrace 0,5% (pozn.: venkovní atmosféra obsahuje 0,035%). Hodnota 0,64% byla naměřena na dně Příbova dómu a odtud směrem dolů v obou větvích koncentrace rostla, v nejnižších místech se pak přiblížila ke 2% (pozn.: před měřením v období 1.6.-11.7.2008 proběhly v jeskyni pouze 2 exkurze; dle meteostanice Chrustenice byl při zahájení měření v 10:30 h tlak 1013 hPa, který zvolna klesal na 1009 hPa v okamžik ukončení měření v 15:30 h; trasa měření: Příbův dóm - Jezerní dóm - Vysoký dóm - Mlaskačka - Jídelna - Salonky).

Pro upřesnění uveďme, že oxid uhličitý je těžší než vzduch a dochází k jeho kumulacím právě v nejnižších partiích jeskyně; jeho úroveň je závislá, mimo jiné, také na atmosférickém tlaku (při jeho poklesu se CO2 může uvolňovat z vody, hornin, vzdušné vlhkosti). Zdrojem oxidu uhličitého ve zdejších jeskyních jsou zejména biogenní procesy v půdním pokryvu, s tím související krasové procesy (vzniká při opětovném srážení uhličitanu vápenatého) a také dýchání člověka při činnostech v jeskyni (prolongace, dokumentace, exkurze aj.). Podle určité hypotézy o hydrotermálním původu jeskyní Českého krasu (předmět odborných sporů) může mít CO2 také hlubinný původ vázaný na hluboké zlomové struktury.

Od března 2013 probíhá na vybraných místech Arnoldky pravidelné čtvrtletní měření koncentrací CO2. Vybraných míst je zhruba 46 dle aktuální hydrologické situace a vývoje pohledu na průběžné výsledky. K měření jsou používány výhradně elektronické detektory. Předpokládané ukončení celé skupiny měření je stanoveno na leden 2015.

Porovnání hustot při teplotě 0°C a tlaku 1000 hPa: vzduch = 1,29 kg/m3; oxid uhličitý = 1,98 kg/m3; radon = 9,73 kg/m3.

 

4. Stav radonu

V Arnoldce byla zjišťována objemová aktivita radonu (OAR) v létě 2008. Výsledky jsou uvedeny také v mapce a grafech. Ionizační komorou Radonic byl prověřován okamžitý stav v úseku Příbův dóm - Balvaniště (zde setrvání cca hodinu a čtvrt) - opět Příbův dóm (setrvání 5 minut) - síň nad Panoptikem (setrvání zhruba půl hodiny). Dále byly odebrány vzorky ovzduší do ionizačních komůrek, které opět ukázaly aktuální "koncentraci" radonu (č.2 = 4,5 kBq/m3; č.4 = 8,3 kBq/m3; č.5 = 13,5 kBq/m3; č.7 = 2,6 kBq/m3; č.8 = 2,6 kBq/m3; č.11 = 2,6 kBq/m3). Dlouhodobější měření bylo prováděno přístrojem Radim-3A v Táborovém dómku (11.7.-2.8.2008) a v Jídelně (8.9.-1.11.2008). Dále byly odebírány vzorky sedimentů v Jídelně, v Tyčkynově síni, v síni U krápníku, vzorek kalcitové žíly v Jezerním dómu a vzorky vápence z lomu u Štěpánské propástky. Výsledek, či spíše jen nástin problematiky, ukazuje, že v letním období lze ve větší části jeskyně očekávat "koncentraci" cca 2-3 kBq/m3; oproti tomu zvýšená hodnota byla zaznamenána na "dně" Hlavního tahu (4,5 kBq/m3). Zdá se, že rozdílný stav ale panuje v Panoptikálním tahu, kde se již od Příbova dómu směrem dolů postupně zvyšují naměřené hodnoty (od cca 3,5 po 13,5 kBq/m3). Zda to způsobuje jen špatná větranost, je otázkou.

Poznámka 1: 1 kBq/m3 (kilo-bequerel na metr krychlový, čti bekerel) jest 1000 radioaktivních přeměn za 1 sekundu v 1 m3 vzduchu.

Poznámka 2: jako maximální povolenou hodnotu ve stávajících obydlí uvádí norma 0,2 kBq/m3.

Poznámka 3: ve zpřístupněných jeskyních se v létě zpravidla objevují hodnoty 2-3 kBq/m3; výjimečně až 8, resp.22,5 (Bozkovské j.).

Poznámka 4: v nevětraných dolech v Jáchymově byl zaznamenán i údaj 500 kBq/m3.

Speciální poděkování patří Lence Thinové a Václavu Štěpánovi.

komora Radonic

Radim 3A: Táborový dómek (A)

Kde se radon bere: Obdobně jako ve všech horninách, tak i ve vápencích a jeskynních sedimentech jsou obsažena stopová množství nestabilních radioaktivních prvků, které se pozvolna mění (rozpadají) v jiné lehčí. Tyto sledy se nazývají rozpadovými řadami a mají svoje zákonitosti. Tři hlavní přirozené řady, které v přírodě doposud stále "běží", mají jako jeden ze svých mezičlánků radon - jediný plyn těchto rozpadových řad; ostatní prvky jsou těžké kovy, ať již ty, ze kterých radon vzniká, nebo ty, na které se rozpadá (jeho dceřiné produkty). Radon má 3 přirozené izotopy (v každé rozp.řadě jeden), jak je patrné v níže ležící tabulce. Vzhledem ke svému nejdelšímu poločasu rozpadu (téměř 4 dny) bývá v jeskyních nejčastěji přítomen izotop radonu 222 a to proti izotopu 220 v přibližném poměru 10:1. Třetího izotopu 219 je ve srovnání s předchozími zanedbatelně málo. To je dáno nejen nejkratším poločasem rozpadu (necelé 4 sekundy), ale také malým zastoupením uranu 235, z něhož po několika rozpadech vznikl. Zatímco pouze 0,72% veškerého přírodního uranu připadá na uran 235, 99,28% náleží izotopu uranu 238. I to je dané rozdílnými poločasy jejich rozpadů. Z tohoto pohledu je patrné, že nejdéle bude radon "vyrábět" thoriová řada...

Pro člověka není v zásadě radon nebezpečný, pokud se právě v daný okamžik nerozpadne na často i aktivnější dceřiné produkty (kovy). To se týká i vdechování částeček prachu a vzdušné vlhkosti, na nichž mohou tyto produkty ulpívat a dále se rozpadat až v nejtěžší stabilní prvek v přírodě - olovo. Škodlivost spočívá nejen v emisích částic, ale také v toxicitě.

Rozpad radonu a jeho dceřiných produktů také vyvolává ionizaci a vznik lehkých atmosférických iontů (ionty kyslíku, dusíku, vodíku, různých oxidů aj.). Jedna alfa-částice (heliové jádro) z jednoho rozpadu radonu způsobí vznik zhruba milionu iontů.

Jak kolísá koncentrace radonu: Uvolňování radonu v jeskynním prostředí je nezastavitelné a v podstatě by mohlo být i konstantní, ale... Zvýšené emise může způsobovat např.rozdílná struktura vápence - ze zvětralého se radon uvolňuje snadněji, v kompaktním zůstává více "uvězněn"; jako určité přivaděče se můžou chovat tektonické poruchy či otevřené vrstevní spáry. Koncentraci může zvyšovat také anomální výskyt radionuklidů, např. v některých minerálních výplních (opály a opálové sintry). Dále záleží na aktuálním atmosférickém tlaku - čím nižší tlak, tím více stoupá uvolňování radonu z horninového prostředí; totéž platí při zvýšení teploty. Do jeskynních prostor se také může dostávat více radonu po dlouhodobých deštích. To je hrubý výčet vlivů na "přísun" radonu. O aktuální koncentraci rozhoduje také jeho "odsun" a tím je především proudění vzduchu. Ve větraných částech je ho méně než v nevětraných, např. v letním období, kdy se téměř zastavuje obměna vzduchu ve statických typech jeskyní se vchodem nahoře, koncentrace výrazně roste, z toho logicky plyne: čím intenzivnější obměna vzduchu, tím menší koncentrace. Kromě ročních výkyvů (rozdíly jsou několikanásobné, v extrému i více jak stonásobné), může z výše uvedených důvodů docházet k nemalým výkyvům i během dne. Ve venkovním vzduchu je aktivita radonu o 1-2 řády nižší (v atmosféře: 10-17%, tj.0,0000000000000001% :-).

 

Přirozené rozpadové (radioaktivní) řady s účastí radonu

thoriová řada

uranová řada

aktiniová řada

izotop

poločas rozpadu

izotop

poločas rozpadu

izotop

poločas rozpadu

thorium 232

14,05 mld.let

uran 238

4,468 mld.let

uran 235

0,704 mld.let

radium 228

5,75 let

thorium 234

24,10 dne

thorium 231

25,52 hodin

aktinium 228

6,15 hodin

protaktinium 234

1,17 minuty

protaktinium 231

32,76 tis.let

thorium 228

1,9116 let

uran 234

245,5 tis.let

aktinium 227

21,772 let

radium 224

3,66 dne

thorium 230

75,38 tis.let

98,62% thorium 227

1,38% francium 223

18,68 dne

22,00 minut

radon 220 ("thoron")

55,6 sekund

radium 226

1600 let

polonium 216

0,145 sekundy

radon 222 ("radon")

3,825 dne

radium 223

11,43 dne

olovo 212

10,64 hodin

polonium 218

3,10 minuty

radon 219 ("aktinon")

3,96 sekundy

bismut 212

60,55 minut

olovo 214

26,8 minut

polonium 215

1,781 ms

64,06 % polonium 212

35,94% thallium 208

0,000299 ms

3,053 minuty

bismut 214

19,9 minut

olovo 211

36,1 minut

99,98% polonium 214

0,02% thallium 210

0,1643 ms

1,30 minuty

bismut 211

2,14 minuty

olovo 208

stabilní

99,72% thallium 207

0,28% polonium 211

4,77 minuty

0,516 sekundy

   

olovo 210

22,20 let

   

bismut 210

5,012 dne

olovo 207

stabilní

 

polonium 210

138,376 dne

 

 

pozn: aktivita je nepřímo úměrná poločasu rozpadu

olovo 206

stabilní

 

 

 

Text: Michal Kolčava 2013, aktualizace 16.6.2015

Upozornění: je pravděpodobné, že se tato kapitola bude i nadále vyvíjet.

 

LITERATURA ze starších ročníků sborníku Český kras:

Důležitá LITERATURA: