Nástin dynamiky ovzduší v jeskyních na příkladu horních pater Koněpruských jeskyní

Outline of the Atmosphere Dynamics in Caves on the Example of Upper Storeys of Koněprusy Caves

Antonín Jančařík, skupina Tarcus

(Český kras 1; str.7—16; 4 vložené přílohy; Beroun 1976)

 

0. Úvod

Klimatické podmínky v jeskynních prostorách jsou ovlivňovány především dvěma základními faktory:

nepřímo potom prostřednictvím teplotní vodivosti, proudění vzduchu po puklinách a skapové vody. Také se uplatňuje vliv horniny.

Proudění vzduchu (dále jen proudění) na jedné straně zprostředkovává přenos tepla, vlhkosti, aerosolu atd., na druhé straně je některými těmito prvky ovlivňováno. V jeskyních může vznikat proudění ze tří hlavních příčin.

První a nejdůležitější příčina je nestejná hustota vzduchových vrstev o nestejné teplotě, která vyvolává vertikální, t.zv. termický pohyb. Daleko menší význam má proudění, které vzniká vlivem vnějších tlakových změn. Většinou pouze zesiluje nebo zeslabuje termické proudění a pro tvorbu speleoklimatu je jeho vliv zcela nepatrný. Třetí druh proudění je způsoben prouděním vzduchu na povrchu země. I když jde o poměrně vzácný případ, může mít v některých případech velký význam.

Výzkumu proudění je nutno věnovat při všech speleoklimatologických pracech náležitou pozornost, neboť právě ono může často poskytnout vysvětlení pro vznik klimatu a základnu pro úvahy o jeho změnách, které nastanou následkem zásahu člověka.

 

1. Termické proudění

V dalších úvahách zanedbáme proudění, vyvolané vnějšími barickými změnami a prouděním větru na povrchu, protože jejich vliv je většinou nepatrný. Za tohoto předpokladu je možno vycházet z toho, že proudění v jeskynních prostorách je způsobeno rozdílem barických tlaků, t.j. rozdílem tlaků, způsobených vahou vzduchových sloupců o nestejné teplotě. Tato problematika byla podrobně rozpracována v báňské literatuře (SUCHAN – BAJER 1975). Základní výsledky jsou shrnuty v následujících statích.

 

1.1. Závislost barického tlaku na výšce

Změna barického tlaku při změně geodetické výšky se dá vyjádřit vztahem:

 

/1/

 

kde:

V praxi se používá tohoto vztahu v některé z následujících úprav:

 

/2a/

 

/2b/

 

/2c/

 

kde:

Volba vhodného vztahu závisí na přesnosti, s jakou chceme spočítat změnu barického tlaku. V našich podmínkách vyhovuje většinou vztah /2c/.

 

1.2. Odpor proudění

Uvažujme nyní jeskynní prostory seskupené podle obr.1a. V prostorách II má vzduch teplotu T1 a v prostoře IV teplotu T2. Vypočteme-li podle uvedených vztahů tlaky, kterými působí vzduchové sloupce II a IV, zjistíme rozdíl, který uvede vzduchovou hmotu do pohybu (obr.1b.). Jak je tedy zřejmo, podílí se na vzniku tlakového rozdílu a tím i na proudění pouze úseky s vertikálním členěním teploty. Doposud jsme ovšem zanedbávali vliv tření. V důsledku tření nebude v každém bodě tlak b, ale tlak b', který se liší o hodnoty p:

 

/3/

 

Budeme-li považovat viskozitu vzduchu za konstantní, je velikost hodnoty p funkcí pouze morfologie chodby. Hodnota tohoto vlivu je vyjádřena aerodynamickým odporem R:

 

/4/

 

kde:

Rozdíl b'1−b'2 lze nazvat aerodynamickým rozdílem tlaků, neboť je způsoben pouze prouděním. Aerodynamický odpor R je jednou ze základních dynamických charakteristik jeskynního systému.

 

 

1.3. Chodby s dvojím prouděním

V praxi se často setkáváme s případem, že cirkulace vzduchu, popsaná výše, probíhá v jediné chodbě tak, že teplejší vzduch u stropu stoupá a chladnější u podlahy klesá (obr.2). V takovém případě si lze v prvním přiblížení představit tuto chodbu jako paralelní dvojici chodeb podle obr.1. Přitom je však třeba si uvědomit, že je zanedbán vliv difuze mezi oběma proudy a že každá tato chodba nemá tentýž aerodynamický odpor jako při původním „jednosměrném“ proudění, ale zhruba dvojnásobný. Proto je nutné provádět tyto rozvahy velmi obezřetně a konfrontovat je s výsledky měření.

 

1.4. Vnitřní cirkulace a základní proudění

Jestliže probíhá proudění v jeskynních prostorách tak, jak bylo naznačeno na obr.1 nebo 2, jde o uzavřenou vnitřní cirkulaci. Její chod je závislý na příčinách, které způsobují teplotní rozdíl mezi prostorami II a IV. Jestliže v případě podle obr.2 nahrazuje vnější atmosféra prostoru I, jde o otevřenou vnitřní cirkulaci s horním vchodem. Její chod je závislý na rozdílu teplot vnější a vnitřní atmosféry. Projevuje se v zimních měsících. V letních měsících ovzduší v jeskyni stagnuje. Nahradí-li vnější atmosféra prostoru III, jde o otevřenou vnitřní cirkulaci se spodním vchodem. Její chod je opačný než v předešlém případě.

Nahradí-li vnější atmosféra některou z prostor II nebo IV nebo jejich část, jde o základní proudění (obr.3a). Jeho povaha je také závislá na rozdílu vnitřních a vnějších teplot. V zimních měsících proudí horními vchody vzduch z jeskyně a spodními vchody je nasáván. V letních měsících je režim opačný.

 

 

1.5. Elektrický analogon proudění

Výraz /4/ lze považovat za obdobu Ohmova zákona pro elektrický proud. Hodnota elektrického proudu bude potom úměrná čtverci objemového průtočného množství vzduchu, ohmický odpor odporu aerodynamickému a napětí (rozdíl elektrických potenciálů) aerodynamickému rozdílu tlaků. Stejné obdoby platí i pro Kirchhoffovy zákony. Je zřejmé, že za těchto předpokladů se dají kreslit elektrická schémata, obdobná systému proudění v jeskyni. Pro případ základního proudění je situace poměrně jednoduchá. Odpor proudění ve volné atmosféře lze zanedbat, takže je možno kreslit jednoduché schéma (obr.3b). V případě vnitřních cirkulací je situace složitější. Pro přesné analogické schéma by bylo nutno uvažovat zdroj napětí, spojitě rozložený podél vertikálních úseků cirkulace (obr.4). Dají se však provést další zjednodušení. Pro tlakové poměry lze používat zapojení podle obr.5a, pro průtočná množství zapojení podle obr.5b.

Vzhledem k tomu, že v praxi jsou většinou vnitřní cirkulace poměrně jednoduché, nepoužívá se k jejich řešení a popisu elektrického analogonu. Ten může nalézt praktické uplatnění především při řešení základního proudění ve složitějších systémech, zejména při posuzování vlivu úprav a zásahů do jeskynních systémů, jako je prorážení nových vchodů, spojek atd.

 

 

 

2. Klimatická měření v Koněpruských jeskyních

Dlouhou dobu po objevu a zpřístupnění Koněpruských jeskyní neexistují prakticky žádná klimatická měření. První systematická měření provedl LYSENKO (1975) v letech 1970—71. Pomocí Assmanova psychrometru zjišťoval teploty a vlhkosti v celé zpřístupněné části systému. Další měření prováděli členové amatérské skupiny Niphargus v období 1974—75. Na vybraných stanovištích z let 1970—71 měřili opět teplotu a vlhkost a kromě toho podrobně určovali směr proudění pomocí dýmových trubiček. Tato měření umožnila utvořit si první předběžnou představu o dynamice ovzduší tohoto systému.

 

2.1. Vnitřní cirkulace

Celkovou situaci zpřístupněné části Koněpruských jeskyní (t.j. horního a středního patra) je vidět na obr.6, na kterém jsou též vyznačeny oblasti vnitřních cirkulací. Jde převážně o otevřené vnitřní cirkulace s horním vchodem. Uzavřená vnitřní cirkulace je mezi horní částí Staré chodby (J, K) a Proškovým dómem (L), který plní funkci horní prostory. Bohužel se doposud nepodařilo přesně stanovit kriteria pro výskyt této cirkulace, která mnohdy svou intenzitou zcela překrývá základní proudění v této oblasti. Vnitřní cirkulace mezi Marešovým dómem (G) a bodem západně od Varhan (F) má význam zcela nepatrný.

Schéma základního proudění je na obr.7 (srovnej s obr.6). Ve většině případů plní vchody V1, V2, P3 a V6 funkci horních a vchody V3, V4, V5, P1, P2 funkci spodních vchodů. T.zn. že v létě proudí vzduch horními vchody do systému a v zimě opačně. Na základě dosavadních měření se domníváme, že se dá s dostatečnou přesností používat zjednodušené schéma podle obr.8a.

Za jistých, doposud ne zcela přesně specifikovaných podmínek dochází v zimním období k tomu, že tlak vzduchu v bodě J se vyrovnává s tlakem v bodě V3. To má za následek, že zanikne základní proudění mezi body J a V3 a objeví se nové základní proudění mezi body V3 a V4, t.zn. že vchod V3 začne plnit funkci horního vchodu. V takovém případě můžeme kreslit zjednodušené schéma východní části podle obr.8b a tuto část jeskyní považovat za separovaný systém.

 

 

2.2. Zhodnocení měření

Proudění vzduchu, popsané v předešlých kapitolách, je možno bez větších obtíží sledovat prakticky v celém systému Koněpruských jeskyní. Výjimkou je pouze oblast Proškova dómu a horní část Staré chodby, kde je proudění silně deformováno místními cirkulacemi a třením při styku proudů. Klíčovou prostorou pro dynamiku proudění v popisovaném systému se jeví právě horní část Staré chodby, kde dochází k největšímu styku vzduchových hmot, a která ovlivňuje proudění v celém středním patře. Systém Koněpruských jeskyní je typicky dynamický s komplikovaným a bohužel ne zcela vyjasněným systémem proudění.

 

2.3. Vliv zpřístupnění

O dynamice systému jeskyní před objevením a zpřístupněním můžeme vyslovovat pouze domněnky. Základní proudění po ose V2, J, P1 bylo pravděpodobně stejné jako dnes, ovšem s daleko menší intenzitou. Západní a východní část středních pater byly pravděpodobně statické. Zpřístupněním došlo ke zmnohonásobení intenzity proudění, což mělo řadu důsledků: enormní prohřívání Mincovny (Lysenko naměřil až 20,7 °C), prudké kolísání teplot v zimních měsících v oblastech otevřených cirkulací, zvýšení chodu teploty v celém systému aj. Přirozený režim byl zcela narušen. Instalování osvětlovacích těles se jednak projevilo ohřevem jejich okolí, jednak vznikem porostů nižších rostlin v jimi ozářených oblastech.

Zanedbatelný není ani přímý vliv návštěvníků. Jde nejen o jejich agresivitu, což se vymyká z rámce této práce, ale i o tepelné znečištění, které je výraznější, než se původně předpokládalo (Lysenko naměřil vzrůst teploty při průchodu skupiny návštěvníků až o 1,2 °C). Celkově můžeme shrnout, že zpřístupnění jeskyní mělo vliv destrukční.

K jistému zlepšení došlo v r.1974, kdy bylo zavedeno uzavírání vchodu Mincovny V1 (do té doby byl uzavírán jen mříží). Toto je nutno považovat za první krok. Aby došlo k výraznějšímu zlepšení, bude nutno zavést i uzavírání vchodu V3 a vybudovat ještě jedny větrné dvéře v obou těchto vchodech, nebo alespoň v Mincovně, tak, aby při průchodu návštěvníků byly vždy aspoň jedny dvéře z této dvojice uzavřeny.

Pokud bude vybudován nový vchod v oblasti Vánoční jeskyně, měl by tento být ražen s co nejmenším profilem a vertikálně lomen tak, aby střední část byla níže než oba konce. Tím by došlo k omezení pronikání otevřené vnitřní cirkulace v tomto vchodu. Samozřejmě i tento vchod by měl být osazen dvojicí větrných dvéří. Současně by mělo dojít k dokonalému uzavření vchodu V3, aby nevzniklo základní proudění mezi ním a novým vchodem. Za těchto předpokladů může mít nový vchod kladný vliv na klimatické podmínky, zejména ve východní části středních pater.

 

3. Závěr

Záměrem této práce bylo podat základní předběžnou informaci o dynamice proudění vzduchu ve zpřístupněné části Koněpruských jeskyní. V současné době probíhá podrobnější výzkum s cílem pokusit se objasnit některé problémy, které se vyskytly během měření a současně dospět ke kvantitativnímu vyjádření základních klimatických procesů. Vzhledem k řadě měření, provedených v posledních letech, se domníváme, že Koněpruské jeskyně jsou vhodným objektem pro řešení i obecných zákonitostí tvorby speleoklimatu.

 


Literatura: