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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

Amir Sedaghatkish
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Kontakt

Claudio Pastore
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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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