Návštěvník – speleoklimatický činitel

Visitor – an Speleoclimatic Factor

Antonín Jančařík

(Český kras 2; str.39—46; Beroun 1977)

Abstrakt

Vliv návštěvníka se projevuje změnami v mikroklimatu jeskyní velmi citelně zejména tam, kde v turistických jeskyních je zaveden nevhodný režim prohlídky. Konečnými důsledky změn jsou zvýšení teploty v jeskyni, porušení dynamického režimu jeskyně a destrukce krápníkové výzdoby. Konkrétní měření byla provedena v Koněpruských jeskyních.

0. Úvod

Návštěvník jeskyně se jakožto speleoklimatický činitel projevuje jako:

přídavný aerodynamický odpor (je-li v klidu) nebo přídavný zdroj tlaku (pohybuje-li se),
zdroj tepla,
zdroj vlhkosti.

1. Aerodynamické hledisko

Uvažujme experimentální uspořádání podle obr.1a. Předpokládejme, že mezi body AC je stálý tlakový rozdíl – p, který vyvolává proudění v chodbě. Tuto situaci si můžeme znázornit pomocí elektrického analogonu na obrázku 1b. Elektrický proud je úměrný čtverci průtočného množství vzduchu, napětí je úměrné rozdílu tlaků a ohmický odpor je úměrný aerodynamickému odporu.

Obr.1: a – uspořádání experimentu pro určení aerodynamických vlivů; b – elektrická analogie uspořádání dle a).

Fig.1: a – experimental arrangement when determining aerodynamical effects; b – electrical analogy of the above arrangement.

Otevření dveří v bodě C můžeme na analogonu znázornit jako výrazné snížení hodnoty odporu R_d. Jak je zřejmé, dojde jednak ke snížení napětí U₁, jednak ke zvýšení proudu v obvodu.

Uvažujme nyní návštěvníka v klidu, nacházejícího se mezi body B a C. Tím, že se zmenšuje průřez chodby, zvyšuje její aerodynamický odpor. V důsledku toho dojde jednak ke snížení průtočného množství vzduchu, jednak ke zvýšení tlakového rozdílu mezi body B a C na úkor tlakového rozdílu mezi body A a B.

Je-li návštěvník v pohybu, působí v chodbě jako píst. Před ním je oblast zvýšeného a za ním oblast sníženého tlaku. Tyto přídavné vlivy se podle smyslu rozdílu rychlosti pohybu návštěvníka a vzduchu buď přičítají nebo odečítají od čistého (t.j. bez vlivu návštěvníka) tlakového rozdílu p₁. Např. pohybuje-li se návštěvník ve směru proudění rychlostí vyšší než je rychlost vzduchu, snižuje se tlakový rozdíl p₁ příp. může nabýt i opačné hodnoty.

Výsledky měření provedených ve východní části Koněpruských jeskyní jsou na obr.2 (JANČAŘÍK 1976a).

Obr.2: Změny tlakového rozdílu U₁ při průchodu skupiny ca 30 návštěvníků U („po proudu“); uspořádání dle obr.1: A—I – návštěvníci mezi body B a C; A – otevřené dvéře; B – průchod návštěvníků dveřmi; C,E,G – návštěvníci v klidu; D,F,H,I – návštěvníci v pohybu; I – návštěvníci mezi body A a B.

Fig.2: Pressure difference variation U₁ due to passage of the group of about 30 visitors U („downstream“); arrangement according to Fig.1: A—I – visitors between points B and C; A – door opened; B – visitors passing through the door; C,E,G – visitors at rest; D,F,H,I – visitors moving; I – visitors between points A and B.

2. Dodávka tepla

Uvažujme skupinu K návštěvníků, nacházející se v prostoře o objemu V a ploše stěn S. Její stěny nechť mají teplotu T_s. Vzduch před příchodem návštěvníků nechť má teplotu T₀ = T_s a koeficient přestupu tepla mezi ovzduším a horninou budiž α (alfa). Uvažujme dále, že vzduch v prostoře je homogenní (bez teplotního zvrstvení) a zanedbejme proudění vzduchu mezi touto prostorou a okolím. Předpokládejme dále, že teplota stěn se během pobytu návštěvníků nezmění. Za těchto předpokladů můžeme vyjádřit změnu teploty jakožto funkci doby pobytu návštěvníků v prostoře t vztahem:

/1a/

kde:

c_p ... je měrné teplo vzduchu za stálého tlaku,
Q ... je dodávka tepla od jednoho návštěvníka za jednotku času.

Obr.3: Změny teploty během pobytu asi 20 návštěvníků v prostoře: 1 – asi 10 cm nad podlahou; 2 – ve středu prostory; 3 – asi 10 cm pod stropem.

Fig.3: Temperature-time curve due to about 20 visitors in the room: 1 – approx. 10 cm above floor; 2 – in the room centre; 3 – approx. 10 cm under the roof.

Na obr.3 jsou výsledky měření v Marešově dómu (Koněpruské jeskyně), provedeného v den, kdy v této prostoře bylo neustále průměrně 20 návštěvníků (JANČAŘÍK 1976b). Až do bodu A odpovídá rovnice /1a/ poměrně dobře naměřeným hodnotám. Dále se již projevují zjednodušující předpoklady, zejména předpoklad o stálé teplotě horniny.

Exaktní vyjádření vlivů, které byly ve vztahu /1a/ zanedbány, je obtížné, proto je výhodnější používat rovnici ve tvaru:

/1b/

kde k₁ a k₂ jsou empirické konstanty, specifické pro každou prostoru.

Jak je zřejmé z obr.3, dochází během pobytu návštěvníků i k výraznému zvýšení vertikálního teplotního gradientu. Chceme-li proto používat vztah /1b/ pro bodovou teplotu, je třeba pracovat s koeficienty k₁ a k₂, korigovanými pro daný bod.

3. Dodávka vlhkosti

Experimentální výsledky ukazují zdánlivý paradox. Přestože návštěvníci jsou zdroj vlhkosti, nemění se během jejich pobytu prakticky absolutní vlhkost a relativní dokonce výrazně klesá. Tento jev lze však poměrně uspokojivě vysvětlit.

Předpokládejme, že před příchodem návštěvníků je teplota stěn rovna teplotě vzduchu a během jejich pobytu se nemění. Dále předpokládejme, že vzduch v jeskyni je před příchodem návštěvníků nasycen vlhkostí. V prvém přiblížení můžeme předpokládat, že vodní pára difunduje ve směru poklesu absolutní vlhkosti.

Po příchodu návštěvníků dochází sice v důsledku vzestupu teploty k poklesu relativní vlhkosti, avšak vlhkostí dodávanou návštěvníky se nedosycuje, neboť tím by se stal přesyceným vůči chladnějším stěnám. Dodaná vlhkost difunduje směrem ke stěnám a zde kondensuje. Absolutní vlhkost vzduchu proto zůstává prakticky konstantní.

4. Závěr

Jak je zřejmé, vyvolává pobyt návštěvníka v jeskyni řadu klimatických změn. Domnívám se, že je nutné uvažovat především následující faktory:

a) Změny proudění, přestože jsou výrazné, vzhledem ke své krátkodobosti nemohou sice vyvolat významné klimatické změny, avšak je nutné je uvažovat při speleoklimatických měřeních a snažit se měření proudění provádět s co nejmenším počtem osob a v době, kdy jeskyně nejsou v provozu pro veřejnost.
b) Největší význam mají změny teploty. Prudké kolísání teploty vyvolává velké teplotní gradienty v tenké povrchové vrstvě horniny, které mají za následek mechanické pnutí (řádově až 105 Pa). I když jde o hodnoty poměrně malé, může se při častém opakování toto namáhání podílet na destrukci výzdoby. V případě, že došlo k výraznému zvýšení teploty v celé jeskyni (v důsledku vysoké frekvence návštěvníků), může dojít ke změně základního dynamického režimu jeskyně. Tato změna má za následek především prudkou změnu teploty v celé jeskyni (i v nezpřístupněných částech).
c) Dodávkou vodní páry vzniklá destilovaná voda po pohlcení CO₂ z atmosféry začne zvolna rozpouštět vápenec. V případě, že jde o intenzivní kondenzaci, může být i tento vliv nezanedbatelný.

Nejjednodušším opatřením, jak snížit výše uvedené negativní vlivy, by bylo prosté snížení počtu návštěvníků. Toto opatření by ovšem nezbytně narazilo na otázku ekonomiky provozu. Velký vliv však může mít i organizace provozu.

Omezení doby pobytu návštěvníků v malých prostorách tím, že by v nich nebyl podáván výklad, který se přímo k nim nevztahuje, stanovení maximálního počtu účastníků prohlídky v jedné skupině a pokud možno rovnoměrné rozložení návštěvnosti po celou dobu provozu by mohlo přinést často výrazné zlepšení.

Např. v Koněpruských jeskyních jsou nejkritičtější prostory „U labutě“ a Marešův dóm. Skupina návštěvníků by neměla mít více jak 20—30 členů (LYSENKO 1975). Za těchto předpokladů a za předpokladu rovnoměrného rozložení návštěvnosti po celou provozní dobu, je kapacita těchto jeskyní maximálně 800—1000 návštěvníků denně (JANČAŘÍK 1976b).

Domnívám se, že obdobný odhad (samozřejmě na základě dlouhodobějších měření) by měl být proveden pro všechny zpřístupněné jeskyně a mělo by se k němu přihlížet při řízení a vyhodnocování jejich provozu.

Literatura:

Jančařík A. (1976a): Schauhöhlenerschliessung, Mikroklima und Sinterzerstörung. – Der Höhlenforscher, 8/4: 52—57. Dresden.
Jančařík A. (1976b): K některým aspektům zpřístupnění Koněpruských jeskyní. – Sborník symposia komise UIS pro speleoterapii 1976, Horný Hrádok (tč. v tisku).
Lysenko V. (1975): Changes in Cave Regime as a Consequence of General Public Accessibility (on the Example of Koněprusy Caves). – Annales de spéléologie, 30/4: 719—724. Moulis.

Summary:

As a speleoclimatic factor, visitor in a cave represents:

additional resistance to the air flow (if at standstill) or additional source of pressure (if moving),
source of heat,
source of moisture.

With regard to the preservation of nature, variation of cave is of great importance. Expression /1a/, /1b/ correlating the temperature T and the time of stay of visitors in a closed space of the volume V and the surface area S has been determined. This relationship is in fairly good accordance with the values found by measurements.

Sudden changes in temperature results in high temperature in a thin larger of a rock surface thus causing a mechanical stress there. Though rather small in size, this stress may add to the gradual destruction of the cave decorative formations.

For the Koněprusy Caves, a set of criteria has been laid down which should be satisfied if greater damage is not to be due to the cave limestone decoration. Similar criteria should be laid down for all the caves open to public.