La presión parcial del dióxido de
carbono (Pco2) en la zona no saturada tiene importancia como factor
determinante dentro de una variedad de procesos que tienen lugar bajo tierra.
La disolución del CO2 atmosférico y de la tierra vegetal dentro del
agua de filtración forma ácido carbónico (H2CO3) que es
el principal agente responsable de la disolución de las calizas en el
desarrollo de las cuevas. Por lo general la Pco2 en el suelo suele ser
sustancialmente más alta (habitualmente entre 1.000 – 10.000 ppm) que los
valores atmosféricos (380 ppm) (Troester y White, 1984; White, 1988) y es el
mayor responsable de la total disolución del CO2 en el agua de la
zona vadosa. En un sistema cerrado la disolución de las calizas tiene lugar
hasta que todo el dióxido de carbono es consumido. Por el contrario, en un
sistema abierto que mantiene constante el contacto entre el agua de percolación
y el CO2 del suelo, hace aumentar la cantidad total de carbonato
disuelto. En realidad, la mayoría de los sistemas son abiertos
hasta cierta profundidad, pasada la cual el sistema se aleja del suelo y pasa a
convertirse en un sistema cerrado. El sistema geoquímico recupera el equilibrio
hasta que el agua alcanza lugares con más baja Pco2 que la Pco2 contenida
en el agua, punto en el cual la desgasificación del CO2 origina una
precipitación de la calcita. Así la variación de Pco2 a través de la
cavidad puede influir en la distribución espacial de la precipitación de
calcita. Recientes investigaciones sugieren que la medida del crecimiento de las estalagmitas es un indicador
de la paleotemperatura. (Genty et al.,2001), vegetación (Baldini et al.,2005) y
lluvias (Genty and Quinif, 1996; Railsback et al.,1994). Por ello conocer la
distribución del CO2 y su dinámica en las cuevas es importante para
los estudios paleoclimáticos que utilizan estalagmitas puesto que su
crecimiento depende en parte de la
Pco2 en la atmósfera de una cavidad. (Kaufmann,
2003; Kauffmann y Dreybrodt, 2004; Spötl et
al., 2005).
Mientras que la desgasificación del CO2
puede causar la precipitación de la calcita, el agua de condensación debida a
la alta humedad de la cavidad puede absorber CO2 del aire,
produciendo ácido carbónico y consecuentemente disolución de calcita. Este
fenómeno es denominado corrosión por condensación y sus valores dependen de la Pco2 en la atmósfera de la cavidad. Estudios
previos han demostrado que aunque la corrosión por condensación prevalece más
en las cuevas hidrotermales (Bakalowicz et al., 1987; Cigna and Forti, 1986),
puede darse en cuevas que no sean hidrotermales (De Freitas y Schmekal, 2003;
Dublyanski, 1998; Jameso, 1991; Sarbu and Lascu, 1997; Tarhule-Lips and Ford,
1998). Las opiniones sobre la importancia de la corrosión por condensación en
la espeleogénesis varían, pero el riesgo potencial para los espeleotemas y las
pinturas rupestres están bien documentados (Carrasco et al., 2002; Pulido-Bosch
et al., 1997). La compresión del comportamiento del CO2 en las
cuevas es muy importante para la preservación del patrimonio cultural sobre
todo por la gran cantidad de visitas que
se realizan en cuevas turísticas y pueden afectar a la alteración de estos
valores en las zonas vadosas de las citadas cuevas.
Muchos estudios han tomado datos de la
Pco2 en cavidades, pero en muy pocos se dan datos
con una alta precisión espacial de los valores existentes de Pco2.
Gelwet and Ek (1983) publicaron una comparativa de la variación espacial de la Pco2 en
dos cuevas de Bélgica donde el CO2 de la respiración era absorbido
por aparatos de respiración autónoma de carbonato de sodio. Se constató una relación
lineal entre la distancia a la entrada de la cueva y la Pco2 del
aire. Basándose en la distribución del CO2 de la cavidad, las zonas de suelo y el flujo de aire subterráneo de las cavidades
fueron considerados como fuentes de CO2. Otro estudio presentaba
datos de Bélgica y otros países demostrando que la Pco2 se correlaciona positivamente con la
temperatura del suelo en superficie (Ek and Gewelt, 1985) y que las
concentraciones de Pco2 suelen ser más altas cerca del techo de las
galerías. Un estudio en el Aven d’Orgnac en Francia sugiere que el aire
enriquecido con CO2 biogénico se mueve a través de las fisuras de la
roca al interior de la cueva (Bouges et al., 2001).
Los datos Pco2 presentados aquí han sido utilizados para
desarrollar un estudio de la concentración de CO2 con alta
resolución espacial en la cueva
Ballynamintra, Irlanda. Mientras que estudios previos realizados sobre
la variación espacial del CO2 en el aire atmosférico [e.g., (Ek and Gewelt, 1985; Gewelt and
Ek, 1983)] fueron realizados usando detectores con bombas químicas que eran relativamente
imprecisos y engorrosos, la presente investigación fue realizada usando
detectores de CO2 por
infrarrojos aumentando de una forma importante la precisión y disminuyendo el
tiempo necesario para las mediciones. Por ello la cavidad al completo fue
investigada con una resolución espacial mayor de un punto cada 5 metros en,
tanto en horizontal como verticalmente. Esta alta resolución también facilitó
el desarrollo de un modelo de circulación del aire para identificar las fuentes
y sumideros. Que sepamos, este es la primera investigación de Pco2 en la cual se han usado parejas de detectores
de CO2 de alta precisión
junto con aparatos autónomos de respiración para minimizar los efectos de la
respiración del operador.
DESCRIPCIÓN DEL LUGAR
La cueva Ballynamintra se localiza aproximadamente a
11 km al noroeste de Dungarvan, Condado de Waterford, Irlanda y se desarrolla
en estratos de caliza del carbonífero inferior (Mississipiense) (Fig.1). Es una
cueva muy pequeña con una longitud de galerías de 95 m y una profundidad de -14 metros (Ryder,
1989), pero está dividida por rampas y gateras en tres secciones diferentes. La
gran entrada (~ 3 m
de diámetro) deja paso al primer sector, un antiguo tubo freático fósil de
aproximadamente 3 m
de diámetro que tiene también una entrada estrecha en su final debido a un
colapso del techo. Un paso estrecho excavado da acceso a través de un descenso
de 3 m al
sector principal, el cual está formado
por una gran sala de 12 m
de largo, 3 m
de alto y 3 m
de ancho. Esta sala (6 m
de larga, 2 m
de ancha y 4 m
de alta) continua hacia el sur hasta una gran acumulación de tierra vegetal. Un
paso vertical (llamado “el agujero”) en la base de los sedimentos deja paso a través
de un paso estrecho al punto más bajo de la cavidad, el cual termina en un sumidero.
Esta es la única área de la cueva que no ha sido incluida en la investigación
del CO2 ya que la extremada
estrechez de estas galerías impide el paso de los operadores con los aparatos
de respiración. La zona alta de la acumulación de sedimentos se encuentra a
unos dos metros por debajo de la superficie y se pueden observar como las
raíces de las plantas se extienden desde este punto a través de la cueva. Un
paso descendente y muy estrecho (0`25 m de alto y 1 m de ancho) da paso al tercer
sector de la cavidad, una sala con formaciones de 10 m de largo, por 3 m de ancho y 2 m de alto y aproximadamente a
la misma cota que la sala principal.
La cueva se desarrolla en el lateral
de un escarpe de un bosque de robles y hayas con bastante maleza; los pastos
rodean el escarpe en todas las direcciones. La suelo está muy desarrollada con
diferentes horizontes tipo O y A. La zona epikárstica se alcanza inmediatamente
en los primeros 50
centímetros, pero su profundidad varía según las
diferentes ubicaciones dentro del escarpe.
La temperatura media en la superficie
en el aeropuerto de Cork Airport (50
km al suroeste) es 10´1º C y la media anual de lluvias
es de 1.191`7 mm.
Figura 1. Mapa y
localización de la cueva Ballynamintra, condado de Waterford, Irlanda. Los
círculos concéntricos indican los puntos de toma de datos nocturnos. Adaptado
del estudio original de L. Blanks, J. Dowds y P. Ryder (Ryder, 1989).
METODOLOGÍA
Las temperaturas y concentraciones de
CO2 fueron determinadas usando un medidor tipo Vaisala GM70 CO2
el cual calcula la Pco2 por la absorción del infrarrojo de las
moléculas del CO2. La precisión en las medidas de Pco2 son del orden de ±30 ppm (2σ) y la precisión
en las medidas de temperatura es de ±0`02 ºC (2σ). Todos los datos de Pco2
se presentan en ppm (volumen) y
fueron corregidos para la presión barométrica. Las medidas de esta
investigación fueron realizadas el 9 de septiembre de 2005.
Figura 2. Tabla de datos de Pco2
y temperaturas obtenidas después
de usar los aparatos de respiración autónomos. La línea continua representa la
temperatura y la línea de sombras representa las medidas de Pco2.
El error debido a la contribución del
CO2 de la respiración fue minimizado con el uso de aparatos de
respiración autónomo que permiten una respiración normal pero expelen el aire
respirado a través de un tubo flexible y dentro de zonas previamente estudiadas
de la cueva. Debido a la rapidez de las mediciones (menos de 2 minutos en la
mayoría de los casos) el aire respirado no tiene suficiente tiempo para
difundirse en los diferentes sectores de la cueva donde las medidas se estaban
tomando activamente. Solamente se empleó iluminación eléctrica.
Las medidas de las Pco2 y temperaturas (n = 137) fueron tomadas a lo
largo de cortas secciones de la cavidad y la ubicación de cada punto de medida
se realizó con brújula, clinómetro y cinta métrica calibradas. A menudo se
realizaron medidas de Pco2 en
perfiles verticales; la medida de los valores fue usada para definir un único
valor en una malla x-y. Estos valores fueron usados para crear unos mapas
bidimensionales horizontales de isovalores. Todos los mapas de curvas de isovalores
fueron creados usando Surffer 8. Los datos también fueron tomados durante la
noche y a intervalos de 15 minutos desde el tubo de sección freática cercano a
la entrada hacia la zona con ventilación más pobre de la cueva (ver fig. 1 para
su localización) para observar si se daba algún cambio de dirección asociado a
las bajas temperaturas que tienen lugar durante la noche.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
IMPACTO DE LA RESPIRACIÓN
La retirada de los aparatos de
respiración cerca del punto más lejano de la entrada de la cueva después de
completar la investigación (en un pequeño túnel de 2 m de alto por dos metros de
ancho) demostró que la respiración causó inmediatamente una subida de los
niveles de CO2 de 1.700 ppm a
1.980 ppm, un incremento del 16% en sólo 2 minutos (Fig.2). Esto está
ampliamente en consonancia con los estudios previos en los cuales se indica un
incremento del 32% después de 5 minutos de respiración desde 3.800 ppm a 5.000
ppm (Ek and Gewelt, 1985; Gewelt and Ek, 1983). El incremento fue anotado con mínimas
y máximas y sugiere que la respiración directa, alta en Pco2,
alcanza ocasionalmente al medidor de CO2 , dependiendo de la dirección
de respiración del operador. La respiración humana contiene aproximadamente
40.000 ppm de CO2 (Miotke,
1984), considerablemente más alto que los valores atmosféricos (380 ppm) y que
los valores en cuevas (la media en los valores de Ballynamintra son de 1.050
ppm), por lo tanto se puede alterar significativamente la concentración en el aire de la cueva. Cuando son necesarios largos
tiempos de medida, como con los medidores de CO2 que dependen de detectores de bomba química se
introducen errores significativos. Los estudios en los que no se usen técnicas
para paliar los efectos de la respiración obtendrán altos valores de Pco2 erróneos.
Figura 3. Mapa de curvas de
nivel de las concentraciones de CO2 em la cueva Ballynamintra. Los
intervalos entre curvas es de 50 ppm. Los puntos usados para construir el mapa
se muestran con círculos negros.
Las medidas de temperatura tomadas
simultáneamente a las de Pco2 sugieren que la presencia de dos personas en
una pequeña sala sube la temperatura al menos 0’3ºC en dos minutos, pero debido
a que el operador se encontraba en la sala antes de empezar la medición, el
efecto producido excede esta estimación. Debido a este potencial error, las
medidas de temperatura no son lo suficientemente precisas para crear un mapa de
detalle con las temperaturas; sin embargo, la tendencia general de la
temperatura es evidente y serán discutidas a continuación.
DISTRIBUCIÓN DEL CO2 EN EL AIRE DE LA CAVIDAD
La ventilación causada por la existencia
de una gran entrada y otra pequeña en el techo techo da como resultado una Pco2
más baja en el tubo de sección freática de la entrada que en otras secciones
(Fig. 3). Los valores de la Pco2
alcanzan un máximo local (550 ppm)
justamente al lado de la estrecha e inclinada gatera que deja paso al sector
principal, el más profunda de la cavidad. Una columna de aire rico en CO2
penetra desde esta estrechez en el sector del tubo freático, donde la advección
parece evitar una acumulación hasta valores más elevados de Pco2 , Los
valores se incrementan de forma paulatina desde la galería de entrada formada
por el tubo freático con una buena ventilación hacia el segundo sector de la
cavidad, alcanzando localmente picos de concentraciones de 1.450 ppm antes de
decrecer gradualmente a valores de 1.250 ppm hacia la estrecha gatera conocida
como “el agujero” que da acceso el sumidero. Los valores obtenidos en esta gatera
vertical son los más bajos de toda la cavidad (1.230 ppm) con la excepción del
tubo de sección freática cercano a la entrada. Las presiones parciales de
dióxido de carbono se vuelven a incrementar según el techo de la cavidad se
acerca a la superficie, alcanzando eventualmente los valores más altos de toda la cavidad
(1.720 ppm). Las galerías en este punto se desarrollan sobre una acumulación de
sedimentos y las raíces que crecen en las fisuras indican la proximidad del
suelo. Esto fue confirmado por las mediciones de la altitud por GPS tomadas en
el exterior que indicaban que este sector se encuentra a dos metros bajo la
superficie. Los valores de la Pco2
descienden gradualmente a través de las gateras que dan acceso al tercer sector
de la cueva (fig. 3). Los valores de esta sala aislada son aproximadamente de
1.500 ppm y no varían de forma considerable, sugiriendo que la única y pequeña
entrada a esta sala evita el intercambio de aire.
Figura 4. Concentraciones de
CO2 frente a la distancia a la entrada a la cueva de
Ballynamintra. Los triángulos no rellenos representan el juego de datos
obtenidos en los puntos más bajos de la cueva que no fueron incluidos en la investigación
mostrada en la figura 3. Las regresiónes lineales presentan los datos del presente estudio y los
de un estudio previo (Ek and Gewelt,
1.985) en la cueva de Ste.-Anne cave, Bélgica. La pendiente para la recta de
regresión que describe los datos obtenidos en el actual estudio (m = 34’29) es
más alta que la del otro estudio anterior (m = 5’3) debido a que los pequeños
pasos y estrecheces que se presentan en la cueva Ballynamintra inhiben la circulación efectiva
de aire mucho más que en las grandes galerías de la cueva de St-Anne Cave.
CONTROLES SOBRE LA
Pco2 DEL AIRE DE LA CAVIDAD
La tendencia en la Pco2 a
aumentar con la distancia a la entrada de la cueva (Fig. 4) sugiere que la
circulación de aire es el factor más importante de control de la distribución
del CO2 y que las gateras de
la cueva impiden el movimiento del mismo. La difusión del CO2 fuera de las zonas de más alta Pco2 fue calculado usando la ecuación de la primera
ley de Fick:
J = - D *(dC / dx)
Donde:
J =
flujo [(kg m-2 s-1)]
D = coeficiente de difusión del CO2
en el aire (m2 s-1)
dC = Variación de concentración (g m-3
)
dx = distancia (m)
Empleando valores de D = 3’0 x 10-6
(m2 s-1), ΔC = 1.500 (g m-3 ) (cambio de concentración
entre las zonas de alta concentración y el área del tubo freático), y Δx
= 50 m
(la distancia aproximada desde el tubo freático hacia las zona de alta
concentración), el flujo (J) fuera de las zonas de altas Pco2 se
calculó como –1’989 x 10-10 (kg
m-2 s-1). La cantidad de CO2 dentro de las regiones con altas Pco2 de la cueva en la zona posterior de la sala
principal es de 0’11 kg, asumiendo que el volumen de las zonas con altas Pco2
es de 33’3 m3 y la Pco2 es de 2.000 ppm. Usando un valor de 6 m2 para el área
de una sección transversal de las galerías, la difusión homogeneizará las
concentraciones de CO2 en toda la cavidad en aproximadamente 3 años.
Este periodo de tiempo es largo comparado con el tiempo requerido para ventilar
la cueva por causa de las diferencias de presiones debido a los cambios en la
presión barométrica de la atmosfera en el exterior, y de este modo probablemente
no sea un mecanismo importante de transporte del CO2 en la cueva de Ballynamintra.
El aumento de gradiente en la Pco2
tiene lugar inmediatamente después de los pasos estrechos que separan
diferentes sectores de Ballynamintra (Fig.4). La recta de regresión entre las Pco2
y la distancia a la entrada de la
cueva tiene una pendiente más suave (m = 34’29) que la recta de regresión
calculada por Ek y Gewelt (1.985) en la cueva Ste-Anne , Bélgica, (m= 5’3) y
probablemente sea debido a las diferentes morfologías de la ambas cavidades. La
cueva Ballynamintra tiene diversos pasos
estrechos mientras que la cueva Ste-Anne
es amplia y con grandes galerías, permitiendo una importante ventilación y un
gran intercambio de aire. Aunque el máximo en la Pco2 alcanzado en la galería principal es mucho más
grande en la cueva Ste-Anne Cave que el alcanzado en Ballynamintra (3.200 ppm
frente a 1.720 ppm), el valor alcanzado tras 50 m de recorrido (la máxima
distancia desde la entrada en Ballynamintra) es mucho más bajo (800 ppm frente
a 1.720 ppm), la cual corrobora la hipótesis de que las diferencias en las
pendientes de la rectas de regresión se deben a una mayor circulación de aire
en la cueva Ste-Anne. Esta interpretación está también corroborada por la
evidencia en otras cuevas de grandes dimensiones y que tienen muy bajos valores de Pco2 (Ek et al., 1.989).
Figura 5. Mapas de curvas de
isovalores de las Pco2 (ppm)
para varias secciones de galerías de la cueva
Ballynamintra. Todos los valores usan el mismo intervalo (10 ppm). Las
flechas indican el flujo de CO2 inferido, desde las altas Pco2 a las bajas Pco2 . La fuerza del
gradiente es reflejado por el tamaño de las flechas; flechas grandes indican un
gradiente en la Pco2
fuerte. El Color gris indica roca.
La idea errónea y muy extendida de que
debido a que el CO2 es
aproximadamente 1’5 veces más pesado que el aire, se hunde hacia las zonas más
profundas de la cueva. Este mecanismo solamente afectará a las cuevas con
temperaturas cerca del cero absoluto, cuando las moléculas de gas han perdido toda
su energía vibratoria, por lo que no es un factor muy importante (Smith, 1999).
Sin embargo, otros mecanismos pueden incrementar las Pco2 de la atmosfera de la cavidad (James, 1977):
1) desgasificación del CO2 disuelto procedente del agua de la
cavidad que por lo general contiene elevadas cantidades de CO2 procedente del suelo. 2) producción de CO2
procedente de la respiración de microorganismos de la cueva, normalmente
asociados con la acumulación de materia orgánica, 3) flujo de CO2 a través de las fracturas que conectan
con el suelo, y 4) filtración desde almacenamientos profundos de CO2 en medios porosos, normalmente
asociados a un origen ígneo. Solamente los primeros tres mecanismos son
relevantes en la cueva Ballynamintra.
El primer mecanismo (desgasificación),
es identificable por el gradiente vertical de las concentraciones de Pco2 en galerías sin acumulación de materia
orgánica. Las altas concentraciones de Pco2 dependen del goteo medio en la desgasificación
del agua. Si el goteo es muy rápido el agua no tiene tiempo para la
desgasificación en el techo de la cueva pero si tiene tiempo para desgasificar
cerca del suelo creando zonas locales de altas concentraciones cerca de la base
de las galerías. Por el contrario, goteos lentos desgasificarán en el techo y
darán como resultado altas concentraciones en las zonas altas de las galerías.
En ambos casos, la media de desgasificación puede exceder la media de difusión
del gas por convección; en caso contrario el CO2 se extenderá uniformemente por toda la sala.
El segundo mecanismo (flujo de CO2 desde las fisuras) también dará como resultado
elevadas valores de Pco2 cerca del techo, pero hay que distinguir entre
el mecanismo de desgasificación por la carencia de goteos activos y la
presencia fisuras o grietas verticales. El tercer mecanismo (CO2 producido
por actividad microbiana) está generalmente asociado con la presencia de
materia orgánica.
En la cueva Ballynamintra la mayor parte de las secciones
transversales demuestran que las altas concentraciones de CO2 están
cerca de las fracturas del techo (Fig. 5), sugiriendo que el mecanismo
dominante que implica la desgasificación del CO2 procedente de los
goteos de agua o flujos de CO2 de las fisuras. La gran excepción
tiene lugar en las secciones transversales en la zona alta de acumulación de
sedimentos (Fig.5f). Las concentraciones de dióxido de carbono son más altas
cerca de la base de este paso, lo que indica que este máximo localizado de CO2
refleja una actividad microbiana inducida por la putrefacción de sedimentos con
materia orgánica. Las zonas más resguardadas tienen elevadas concentraciones de
Pco2 (Fig. 5), lo que sugiere
la reducción de la dispersión por convección del CO2. Todo esto hace
pensar que el movimiento del aire en una cueva es análogo al movimiento del
agua en una corriente con una zona central de gran flujo (thalweg en las
corrientes de superficie) y las zonas laterales de reducida velocidad debido a
la fricción u obstáculos físicos.
La distribución de CO2 en
la cueva Ballynamintra y la asociación
de elevadas concentraciones en el techo de la cavidad sugieren la posibilidad
que el origen del gas sea predominantemente del suelo. Un detector de Pco2
para suelos instalado permanente y
directamente encima de la cueva indica que los valores de Pco2 mayores de 5.000 ppm son típicos durante el verano. Este gas del
suelo es disuelto en el agua de percolación, transportado hacia el subsuelo y
desgasificado en la cueva. Además, el gas del suelo puede también difundirse
hacia abajo a través de las fisuras hacia el interior de la cavidad. El
descenso del gas desde el suelo es con
toda probabilidad el origen dominante del CO2 en la cueva
Ballynamintra por la proximidad del suelo y la carencia de grandes
descargas por goteo. Los cálculos basados en las Pco2 del agua de la cueva y en la estimación del
número de goteos sugieren que si los goteos fuesen el único origen del CO2
dentro de la cueva, se tardaría al menos 50 años en producir la acumulación de
CO2 observada en las
secciones con altas Pco2 asumiendo la completa ausencia de cualquier
sumidero de CO2. Estos cálculos y la asociación de altas Pco2 en áreas con fisuras sugieren que el descenso
de gas por difusión, más que la desgasificación por goteo y es la principal
fuente de CO2 en
Ballynamintra. Sin embargo, debido a que la densidad de fracturación y la
apertura en las zonas kársticas desciende con la profundidad (Baker et al.,
1.997), el descenso por difusión del CO2 gaseoso es probablemente una fuente más
importante en la cueva Ballynamintra que
en cuevas más profundas.
Se deduce la existencia de un sumidero
de CO2 en la zona denominada “el agujero” debido a las bajas
concentraciones presentes en él así como alrededor del citado paso vertical. La
presencia de agua en la base del paso sugiere que la Pco2 en
el agua es más baja que la Pco2
de la atmósfera de la cavidad y
está absorbiendo activamente CO2 de la atmosfera. Desafortunadamente
los pasos tan estrechos impidió a los investigadores alcanzar el agua y obtener
alguna medida.
DISTRIBUCIÓN DE TEMPERATURAS
La temperatura en el exterior durante
el día de la investigación fue de de 17ºC y solamente hubo un ligero descenso en el
tubo de sección freática con una media de 15’5ºC. Una vez pasada la gatera y
entrando en la sala principal la temperatura detectada bajó a aproximadamente
12’5ºC y permanece estable hasta “el agujero” donde la temperatura desciendió
notablemente hasta los 11’5ºC. Este es el sector más profunda de la cavidad y
probablemente tenga el menor intercambio de aire con la atmósfera del exterior.
La presencia de agua puede haber contribuido también a la bajada de temperatura. Las temperaturas
aumentaron considerablemente en la zona alta de la acumulación de sedimentos
hasta casi 14ºC,
pero esto puede ser debido en parte a la presencia de dos espeleólogos en un
pequeño espacio durante un largo período de tiempo (como mencionó más arriba).
Sin embargo, esto también puede reflejar el aire templado a 17ºC de la superficie a dos
metros por encima a través de la tierra vegetal. La temperatura en la sala más
profunda fue de aproximadamente 12’5ºC y estable (dentro de ella).
VARIACIÓN TEMPORAL DE CO2
Se realizaron medidas de dióxido de
carbono y temperatura cada 15 minutos entre las 8:39 p.m. y las 11:39 a.m. de
los día 8 y 9 de septiembre en la parte alta de la rampa que conecta el tubo
freático con la sala principal (Fig. 6). Las mediciones varían desde las muy
bajas (200 ppm, valor más bajo que el atmosférico posiblemente debido a los
efectos de la fotosíntesis del bosque) en el intervalo de muestreo hasta un máximo de 1.339 ppm a las 1:39 a.m; lo cual
sugiere que el aire enriquecido por CO2 fue expulsado desde la cavidad durante la
noche. La máxima concentración grabada es comparable a las concentraciones
características del resto de la cavidad, aunque una reducción de la presión
barométrica ocurrida durante la noche puede haber causado que la cueva exhale
dando como resultado un alto pico en las Pco2 (Fig.3).
Figura 6. La temperatura
(línea continua) y las variaciones de Pco2 (puntos rellenos) medidos cada 15 minutos
entre las 8:39 p.m. y las 11:39 a.m. los días 8-9 de septiembre en la parte alta del paso estrecho que
conecta el tubo de sección freática con la sala principal. Los valores máximos
de Pco2 fueron grabados a las
1.39 a.m.
(1.390 ppm). El gráfico superior representa la presión barométrica cada hora en
el aeropuerto de Cork (estación meteorológica más cercana a la cueva a 40 km al oeste) durante el
período de medidas.
La interpretación está respaldada por
los datos de temperatura, los cuales alcanzan sus valores más bajos (12’8ºC)
coincidiendo con los valores más altos de las Pco2. La similitud
entre este valor de temperatura y la temperatura típica en la cueva (12’5ºC)
sugiere que tanto la alta presión Pco2
como las bajas temperaturas
reflejan la advección del aire desde la zona más profunda de la cueva. El
periodo más largo de registro de las concentraciones de CO2 en la sala principal de Ballynamintra demuestra
la presencia de cuasi-periódicas puntas en las Pco2 alcanzando valores máximos de unos 3.000 ppm.
Estos puede corresponder a periodos de decrecimiento de la presión barométrica
en la superficie, lo que provoca la extracción del aire rico en CO2 de las fisuras (Baldini et al., in prep). Por
el contrario, una alta presión barométrica externa empuja el aire reduciendo la Pco2 de
la cueva.
La distribución del CO2 en la cueva
Ballynamintra implica que las elevados valores de la Pco2 encontrados en la profundidad de las cuevas será por resultado de una reducción de la
desgasificación del agua de goteo y por consiguiente una reducción de los
valores medios en la precipitación de calcita. Por lo tanto este estudio
sugiere que la proporción en la precipitación de calcita debe variar
espacialmente a través de la cavidad, incluso si otros parámetros que afectan a
la precipitación de calcita permanecen inalterados. Además un gran cambio
nocturno de la Pco2 sugiere que la precipitación de calcita puede
variar temporalmente al igual que espacialmente en respuesta a las variaciones
en la Pco2
inducidas por cambios
barométricos. La hipotética creación de una entrada (natural, por erosión o
artificialmente) en una cueva que previamente no existe ventilará la cavidad y
producirá un rápido flujo de Pco2. Este fenómeno podría dar como
resultado un rápido crecimiento de las estalagmitas que puede parecerse a los
efectos de una mejora climática (Baldini et al., 2002; Genty et al ., 2003).
Los estudios paleoclimáticos que utilizan los promedios de crecimiento de
estalagmitas o poderes isotópicos deben considerar la posibilidad de una rápida
ventilación en determinadas circunstancias. Una comparativa entre el δ13C
y el promedio de crecimiento podría distinguir entre los dos efectos
(ventilación y mejora climática). Ambos efectos darían como resultado un
incremento en los promedios de la deposición de calcita, pero la ventilación
aumentaría los valores de δ13C mientras que una mejora climática
reduciría el δ13C de la estalagmita (debido a un incremento de la superficie
de bioproductividad).
Dado que la investigación presentada
aquí indica que las concentraciones de CO2 no son homogéneas a través de las cuevas,
también pueden existir heterogeneidades en los promedios de los procesos
espeleogenéticos que son afectados por la Pco2 La corrosión por condensación afectará
preferentemente a las zonas de elevada Pco2 sobre otras zonas de más
baja Pco2, particularmente las asociadas con alta humedad
(Dublyanski and Dublyanski, 1998). La heterogenea distribución espacial y
temporal de las concentraciones de CO2 también afecta a la deposición de yeso en
cavidades según el modelo de Palmer donde goteos de agua con baja Pco2 conteniendo
iones sulfato absorben CO2 del aire de la cueva, disuelve la caliza de
alrededor y recristaliza yeso (Palmer, 1986). Ya que el yeso tiene un volumen molar
mayor que la calcita, esta sustitución puede crear la formación de grietas y
ensanchamiento de cavernas (White and White, 2003). Este modelo químico es
altamente sensible a la Pco2
del aire de la cavidad y pequeñas
variaciones pueden tanto inhibir como iniciar la deposición de yeso.
CONCLUSIONES
La distribución de CO2 en la cueva
Ballynamintra demuestra un aumento general de las concentraciones de CO2
con la distancia a la entrada de
la cueva, pero las surgencias y sumideros van al contrario de esta tendencia.
Las estrecheces de la cueva compartimentan zonas con distintas Pco2 .En esta cavidad la mayor del CO2 aparentemente entra en la cueva a través del
techo; bien disuelto en los goteos de agua bien por filtración en la fase
gaseosa desde el suelo vegetal a través de las fracturas, siendo notable una
combinación de ambas mecanismos. El transporte a través de la cueva tiene lugar
por advección inducida por las diferencias de presiones barométricas entre
exterior y cueva. Las concentraciones en diaclasas, fracturas y junto a las
paredes son más elevadas que las del centro de las galerías, lo que sugiere que
estas ubicaciones son un refugio de CO2 frente a la advección. La Pco2 del aire de la cavidad puede también
incrementarse localmente debido a la actividad microbiana produciendo CO2 originado en la acumulación de suelo cerca del
final de la cavidad. Un sumidero localizado en el punto más bajo de la cueva
puede actuar como un sumidero de CO2
Estos datos indican que una medida de Pco2
no caracterizará la Pco2 de la cueva. Debido de la importancia del CO2
en la deposición de calcita,
corrosión por condensación, procesos espeleogenéticos y la preservación de los
dibujos de las cavernas, la distribución de CO2 en las cuevas debe ser más investigado. La
simple y eficiente tecnología involucrada permite la realización de estudios de
alta resolución de cuevas mayores, verificando si las relaciones observada en
Ballynamintra son extrapolables a escalas mayores. Futuro estudios en cuevas
más profundas, cavidades que contengan grandes ríos, y cuevas turísticas complementarán
de forma interesante los resultados publicados aquí. Adicionalmente, futuras
investigaciones deberían utilizar trazadores naturales o artificiales para una
mejor identificación de las fuentes y sumideros de CO2. Los estudios
isotópicos ayudarán a identificar potenciales fuentes de CO2 y podrán también valorar la respuesta de los ratios
de los isótopos de carbonato cálcico de las estalagmitas frente a las
variaciones de la Pco2
ACKNOWLEDGMENTS
We thank Dr. David Drew and Professor Christoph
Spötlfor helpful reviews that improved the manuscript. ProfessorCamille Ek is
thanked for providing relevant reprints. We alsothank the landowners for
permitting access to the site. Thisresearch was supported byEnterprise Ireland
Basic ResearchGrant 3750/92201/R8965.
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