Uno studio scientifico di Franci Gabrovšek dettagliato per addetti ai lavori pubblicato in inglese, ricco di immagini descrittive e testi
di Franci Gabrovšek, traduzione Andrea Scatolini
Le grotte e i sistemi di fratture circostanti nella zona vadose delle regioni carsiche, ospitano un ambiente atmosferico unico.
Comprendere i modelli di flusso d’aria nelle grotte è fondamentale per comprendere le proprietà dell’atmosfera sotterranea e le interazioni chimiche tra aria, acqua e roccia.
Il driver più comune del flusso d’aria nelle grotte è la differenza di densità tra l’aria sotterranea e quella esterna, noto come effetto camino.
Le osservazioni mostrano che i modelli di flusso d’aria stagionali nelle grotte dipendono anche dalla geometria dei passaggi.
In questo lavoro, presento e utilizzo un modello numerico di un passaggio incorporato e termicamente accoppiato a una massa rocciosa per studiare la relazione tra il modello di flusso d’aria e la geometria del passaggio.
Quando l’aria esterna entra nel sottosuolo, si avvicina all’equilibrio termico con la massa rocciosa lungo una lunghezza di rilassamento caratteristica.
Questo determina la differenza di temperatura e densità tra l’aria interna ed esterna e la conseguente differenza di pressione, che guida il flusso d’aria.
Nei passaggi con contorni e/o sezioni trasversali non uniformi, la lunghezza di rilassamento può dipendere dalla direzione del flusso, risultando in diverse velocità di flusso d’aria in periodi freddi e caldi per la stessa differenza di temperatura assoluta tra la massa rocciosa e la temperatura esterna.
In un passaggio con un profilo longitudinale a forma di V, il flusso d’aria è innescato dall’instabilità che causa il feedback tra la lunghezza di rilassamento e la velocità del flusso d’aria.
Il modello di flusso d’aria può anche essere alterato dalla neve e dal ghiaccio.
Il trasferimento di calore nella roccia e l’inerzia termica della roccia cambiano anche le lunghezze di rilassamento e causano isteresi nella curva che presenta la velocità del flusso d’aria rispetto alla differenza di temperatura.
Introduzione –
Nelle regioni carsiche, che rappresentano circa il 15% della superficie terrestre priva di ghiaccio, canali di soluzione o grotte di varie dimensioni e complessità sono caratteristiche del sottosuolo.
Il loro sviluppo di solito inizia nella zona freatica, sotto il livello dell’acqua, e continua nella zona vadose a causa dell’innalzamento tettonico e/o dell’abbassamento del livello dell’acqua.
Reti di passaggi di soluzione e fratture si estendono per tutta la zona vadosa, che può essere spessa anche più di due chilometri.
Le intersezioni tra i passaggi e la superficie carsica rappresentano ingressi e uscite di aria e acqua.
Questi possono variare dalle grandi entrate delle grotte a fessure larghe meno di un centimetro.
L’acqua può entrare nella zona vadosa attraverso l’infiltrazione di precipitazioni o concentrarsi tramite ruscelli sotterranei.
Il flusso d’aria nelle grotte può essere guidato da diversi meccanismi: il più comune è l’effetto camino, in cui la differenza di calore tra l’aria sotterranea e l’aria esterna provoca differenze di pressione che guidano il flusso d’aria sotterraneo.
Il flusso d’aria sotterraneo può anche essere guidato da altri meccanismi, come le variazioni barometriche nell’atmosfera esterna o l’effetto di pressione dinamica causato dai venti esterni.
La comprensione dei modelli di flusso d’aria nei massicci carsici ha diverse importanti implicazioni.
Nel carsismo carbonatico, la solubilità del carbonato di calcio e della dolomia dipende dalla disponibilità di CO2 nell’acqua (sotterranea).
La zona vadosa rappresenta un sistema aperto in termini di dissoluzione dei carbonati.
Ciò significa che l’acqua è a contatto con la roccia e l’aria e che la CO2 consumata per la dissoluzione dei carbonati è rifornita dall’atmosfera.
La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è quindi un fattore critico nell’evoluzione delle grotte vadose.
La concentrazione di CO2 nella zona vadose controlla anche la deposizione di speleotemi, diventati un importante proxy paleoclimatico.
La distribuzione spaziale e temporale di CO2 è controllata dalla distribuzione delle sue fonti e dei suoi pozzi e dai meccanismi di trasporto, con il flusso d’aria che è il più importante.
La comprensione dei meccanismi che guidano il flusso d’aria nella zona vadosa carsica è quindi importante per comprendere la distribuzione di CO2 nel carsismo, lo sviluppo delle grotte nella zona vadosa ed epifreattica, la deposizione di speleotemi e il ruolo dei processi carsici nel bilancio globale del carbonio.
L’esplorazione fisica e il rilevamento delle grotte sono spesso l’unica fonte di informazioni sulla struttura della zona vadosa.
Durante le esplorazioni delle grotte, gli speleologi osservano e tracciano il flusso d’aria, che è un importante indicatore di possibile continuazione della grotta.
Questo è particolarmente importante nelle restrizioni o nei crolli, dove non è possibile vedere oltre l’ostacolo.
Il lavoro di ricerca, in inglese, è organizzato come segue:
vengono esaminati i concetti di base dell’effetto camino e confrontati con le osservazioni del flusso d’aria in sistemi reali,
viene presentato un modello numerico che accoppia un flusso d’aria guidato dalla densità in un semplice tubo e lo scambio di calore tra l’aria e la roccia,
il modello viene utilizzato per dimostrare il ruolo del profilo longitudinale del passaggio, della sezione trasversale e di altri potenziali fattori che controllano i modelli di flusso d’aria,
per discutere in profondità i risultati del modello, viene fornita un’approssimazione analitica per la pressione di guida in diverse situazioni.
Citation: Gabrovšek F (2023) How do caves breathe: The airflow patterns in karst underground. PLoS ONE 18(4): e0283767. doi:10.1371/journal.pone.0283767
Editor: Yanping Yuan, Southwest Jiaotong University, CHINA
Received: October 24, 2022; Accepted: March 16, 2023; Published: April 3, 2023
Copyright: © 2023 Franci Gabrovšek. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original author and source are credited.
Data Availability: Data presented in this work are available at: https://cloud.izrk.zrc-sazu.si/index.php/s/s2oTxfqDAADfJJd.
Funding: This work was was funded by the Slovenian Research Agency as part of the research projects L6-9397 and J7-4630, and the research programme P6-0119. The funder had no role in study design, data collection and analysis, decision to publish, or preparation of the manuscript.
Competing interests: The author has declared that no competing interests exist
Link all’articolo originale: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371%2Fjournal.pone.0283767&fbclid=IwAR3U0_XmdOGlLYCTAtlCuePpuGRcbBGMDmD8t1MmC8LhEyeVQUGtuT0gumk
