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ThermoKarst

Unte­rir­dische Hohlräume sind ein emp­find­liches Öko­sys­tem, in dem bio­geo­che­mische Pro­zesse stark von der Tem­pe­ra­tur abhän­gen. Sie beher­ber­gen auch ein­zi­gar­tige Spu­ren ihrer ver­gan­ge­nen Umwelt, deren Inter­pre­ta­tion eng mit der Tem­pe­ra­tur verknüpft ist.

In den letz­ten Jah­ren haben sich viele Stu­dien auf Speläo­theme, sekundäre Kar­bo­nat­for­ma­tio­nen wie Sta­lag­mi­ten und Sta­lag­mi­tens­tröme, kon­zen­triert, da sie in der Lage sind, paläoen­vi­ron­men­tale Infor­ma­tio­nen zu archi­vie­ren, die genau auf die letz­ten 0,5 Ma datiert wer­den kön­nen. Meh­rere Mecha­nis­men, darun­ter die Wär­me­dif­fu­sion im umge­ben­den Gestein und die Advek­tion durch Was­ser und Luft, über­tra­gen Wärme von der Außen­fläche in den Hohl­raum. Je nach der rela­ti­ven Bedeu­tung die­ser ver­schie­de­nen Flüsse wird die unte­rir­dische Tem­pe­ra­tur als Reak­tion auf die zeit­li­chen Schwan­kun­gen der Außen­tem­pe­ra­tur mehr oder weni­ger stark gedämpft und pha­sen­ver­scho­ben.

Ein gutes Verständ­nis der ther­mi­schen Reak­tion des Karstes auf den Kli­ma­wan­del ist daher grund­le­gend, um die Auflö­sungs-/Nie­der­schlag­sra­ten zu quan­ti­fi­zie­ren und die in den Kon­kre­men­ten beo­bach­te­ten geo­che­mi­schen Verän­de­run­gen zu inter­pre­tie­ren und die Aus­wir­kun­gen auf die leben­den Orga­nis­men in den Höh­len zu bewer­ten.


Aus­ge­hend von der Lite­ra­tur haben wir drei Hypo­the­sen for­mu­liert, die wir im Pro­jekt zu vali­die­ren suchen :
  1. Die Belüf­tung von Karst­mas­si­ven stellt einen domi­nie­ren­den Mecha­nis­mus für die Wär­meü­ber­tra­gung dar

  2. Die Reak­tions­zeit von Mas­si­ven und Höh­len hängt hauptsä­chlich von advek­ti­ven Strö­mun­gen (Was­ser und Luft) ab, mehr als von der Wär­me­lei­tung im Gestein.

  3. Der Wär­meaus­tausch reicht aus, um zumin­dest unter bes­timm­ten Bedin­gun­gen eine signi­fi­kante Menge an Kon­dens­was­ser zur Auffül­lung von Karst­sys­te­men zu pro­du­zie­ren.

Ziel des Pro­jekts ist es, eine gründ­liche Ana­lyse der Mas­sen- und Wär­meü­ber­tra­gung in Karst­sys­te­men dur­ch­zufüh­ren, um diese Fra­gen zu beant­wor­ten. Ins­be­son­dere möch­ten wir die Aus­wir­kun­gen eines Kli­ma­wan­dels auf die unte­rir­dische Umwelt cha­rak­te­ri­sie­ren und die ther­mische Reak­tion einer Höhle auf ver­schie­de­nen räum­li­chen und zeit­li­chen Ska­len bes­tim­men. Wir wer­den ein verein­fachtes glo­bales Modell der Karst­mas­sive ent­wi­ckeln, das aus meh­re­ren Sub­sys­te­men (Gestein, Lei­tung, Epi­karst…) bes­teht. Die Wär­meü­ber­tra­gung durch Lei­tung und Advek­tion (Was­ser und Luft) im Gestein und in den Lei­tun­gen wird voll­stän­dig gekop­pelt sein. Aller­dings sind die Aus­wir­kun­gen der natür­li­chen Belüf­tung der Höh­len und des Epi­karsts der­zeit nicht gut quan­ti­fi­ziert, was eine Model­lie­rung ris­kant macht. Daher wer­den paral­lel zu den Simu­la­tio­nen Feld­mes­sun­gen durch­geführt.

Um dieses Ziel zu errei­chen, stützt sich das Pro­jekt auf zwei Teams mit kom­ple­mentä­ren Kom­pe­ten­zen, eines spe­zia­li­siert auf das Moni­to­ring und die Kon­zep­tua­li­sie­rung von Karst­sys­te­men (ISSKA), das andere auf Wärme- und Stoffü­ber­tra­gung (FAST). Diese bei­den Teil­be­reiche wer­den daher paral­lel bear­bei­tet. Zu Beginn wird eine para­me­trische Stu­die (Aus­gang­smo­dell) mit verein­fach­ten ana­ly­ti­schen Model­len durch­geführt, um die Größe der jewei­li­gen Pro­zesse unter ver­schie­de­nen Bedin­gun­gen abzu­schät­zen. Dies wird es ermö­gli­chen, den Inhalt des ers­ten nume­ri­schen Modells (Teil 1) und der Date­ner­fas­sung vor Ort (Teil 2). Beide Teile wer­den im Laufe des For­schung­spro­gramms ite­ra­tiv zusam­men­ge­fasst, so dass am Ende alle drei Hypo­the­sen dis­ku­tiert wer­den kön­nen. Zwei Haupts­tan­dorte wer­den ins­tru­men­tiert, darun­ter das unte­rir­dische Labor von Milandre, wo bereits zahl­reiche Daten vor­lie­gen. Die Stan­dorte wer­den hin­sicht­lich der Tem­pe­ra­tur sowie der wich­tig­sten Para­me­ter, die den Mas­sen­trans­fer kon­trol­lie­ren, über­wacht : Luft- und Was­ser­fluss durch direkte (Dur­ch­fluss­ra­ten) und indi­rekte (CO2 und Radon) Mes­sun­gen.

Ein Team von zwei Dok­to­ran­den soll das Moni­to­ring vor Ort ein­set­zen und die für das Pro­jekt erfor­der­li­chen Kom­pe­ten­zen und Simu­la­tions­werk­zeuge ent­wi­ckeln. Erfah­rene For­scher des SISKA und des FAST wer­den die Dok­to­ran­den aktiv unterstüt­zen, um Ver­fah­ren fest­zu­le­gen, Kom­pe­ten­zen zu ent­wi­ckeln und die not­wen­di­gen Ent­schei­dun­gen zu tref­fen, um die auf­tre­ten­den Heraus­for­de­run­gen zu lösen.

Dieses Pro­jekt wird zwei­fel­los neue Erkennt­nisse über die Reak­tion von Karst­mas­si­ven auf den Kli­ma­wan­del, die Belüf­tung von Karst­mas­si­ven und die Bedeu­tung der Kon­den­sa­tion für die Auffül­lung von Grund­was­ser­lei­tern lie­fern.

Die Ergeb­nisse des Pro­jekts wer­den auch wich­tige Daten für andere Bereiche lie­fern : Trink­was­ser­ver­sor­gung (Tem­pe­ra­tur­sch­wan­kun­gen von Karst­quel­len), öffent­liche Gesund­heit (aus­geat­metes Radon in Wohnhäu­sern), Speläo­ge­nese (Kor­ro­sion durch Kon­den­sa­tion), Per­ma­frost (natür­liche Eishöh­len), Nie­der­tem­pe­ra­tur-Geo­ther­mie (Aus­wir­kun­gen von Lei­tun­gen auf den Wär­meaus­tausch), Tun­nel- und Minen­bau (Vorher­sage von Hohlräu­men und mas­si­ven Was­se­rin­tru­sio­nen), Fer­ner­kun­dung (Inter­pre­ta­tion ther­mi­scher Ano­ma­lien), Höh­len­kon­ser­vie­rung (Schutz archäo­lo­gi­scher und tou­ris­ti­scher Höh­len), Koh­lens­toff­kreis­lauf (die Auflö­sung und Ausfäl­lung von Kar­bo­na­ten wird durch den pCO2-Wert, also durch die Belüf­tung, ges­teuert), unte­rir­dische Bio­lo­gie (Bio­tope unte­rir­dische)…

Die Ergeb­nisse dieses Pro­jekts wer­den zu einem Schlüs­sel­schritt im Verständ­nis der Wär­meü­ber­tra­gung in Kar­bo­nat­ge­stein wer­den.

Link zur SNF-Seite Ther­mo­karst

PHD-Studierende


Kontakt

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PIs

Pierre-Yves Jean­nin (ISSKA), Fré­dé­ric Dou­menc (Sor­bonne), Marc Luet­scher (ISSKA).

Veröffentlichungen

Seda­ghat­kish A., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Mode­ling the effect of free convec­tion on per­ma­frost mel­ting rates in fro­zen rock-clefts. The Cryos­phere, 18, 4547–4565, doi.org/10.5194/tc-18–4547-2024

Pas­tore C., Seda­ghat­kish A., Schmid N., Weber E., Luet­scher M., 2024. Moni­to­ring air fluxes in caves using digi­tal flow meters. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53, 63–73. doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2500

Seda­ghat­kish A., Pas­tore C., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Model­ling heat trans­fer for asses­sing the convec­tion length in ven­ti­la­ted caves. Jour­nal of Geo­phy­si­cal Research : Earth Sur­face (Jour­nal für geo­phy­si­ka­lische For­schung : Erdo­ber­fläche), 129, e2024JF007646. doi.org/10.1029/2024JF007646

Pas­tore C., Weber E., Dou­menc F., Jean­nin PY., Luet­scher M., 2024. Dis­per­sion von künst­li­chen Tra­cern in belüf­te­ten Höh­len. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Spe­leo­lo­gy, 53(1), 51–62. doi.org/10.5038/1827–806X.53.1.2497

Gara­gnon J, Luet­scher M., Weber E., 2022. Ven­ti­la­tion regime in a kars­tic sys­tem (Milandre Cave, Swit­zer­land). Kars­to­lo­gia Memoi­ren, 23, 187–19

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