Projekti / Programi
Ogljikov cikel na krasu - kvantitativna fizično-geografska opredelitev za različne podnebno-reliefne tipe Slovenije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 6.12.01 |
Humanistika |
Geografija |
Fizična geografija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P510 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizična geografija, geomorfologija, pedologija, kartografija, klimatologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 5.07 |
Družbene vede |
Ekonomska in družbena geografija |
kroženje ogljika, kras, ogljikov cikel, CO2, klimatske spremembe, Slovenija
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
25648 |
dr. Mitja Prelovšek |
Geografija |
Vodja |
2013 - 2015 |
261 |
Organizacije (1)
Povzetek
Zakrasevanje je pomemben del ogljikovega cikla na Zemlji, saj se (a) pri interakciji z vodo mobilizira ogljik dolgoročno shranjen v obliki karbonatov (CaCO3 in CaMg(CO3)2) v kopensko hidrosfero, kjer se vključuje v biosferni (vgrajevanje v biomaso) in povratni litosferni (izločanje sladkovodnih karbonatov) del ogljikovega cikla, del pa ga »odteče« v oceanski del hidrosfere, po drugi strani pa (b) pri interakciji z atmosfero/pedosfero kjer se generalno gledano izloča (danes problematičen) plinasti CO2 iz atmosfere. Številni pojavi na krasu (mikroreliefne kraške oblike, korozijske vrtače, udornice, kraške jame, kapniške oblike, lehnjak) so ob delovanju drugih dejavnikov (tektonika, podnebje, prst in vegetacija) torej del globalnega kroženja ogljika. Vloga krasa s tega vidika je danes močno podcenjena in kliče po podrobnejši obravnavi.
Čeprav je ogljikov cikel tesno povezan s krasom, se ga je v Sloveniji proučevalo (a) posredno preko tematskih študij, (b) le redko kvantitativno, (c) nikoli pa sistematično. Tudi v svetovnem merilu je celostno in kvantificirano proučevanje ogljikovega cikla na krasu redek cilj študij, saj so le-te preveč specifične in povezane zgolj z eno znanstveno disciplino oz. njihovo vejo (kraška geomorfologija, hidro(geo)logija, hidrokemija, meteorologija, speleologija, okoljska fizika in kemija, agronomija). Z geografskega gledišča je potrebno izsledke posameznih znanstvenih področij medsebojno povezovati in iskati zakonitosti tudi med njimi (ne le znotraj njih). Kraško kroženje ogljika se v tem kontekstu pojavlja kot povezovalni element različnih znanstvenih področij. Sledenje tokovom ogljika med območji/področji raziskav je v osnovi dokaj enostavno, saj je snov (v tem pogledu ogljik) neuničljiva in odtok iz enega območja/področja raziskav pomeni dotok v drugega. V tem pogledu smo danes tehnološko zreli konceptualno razumevanje nadgraditi s kvantifikacijo, ki je s stališča znanosti pomembna tako lokalno (krasoslovje) kot globalno (klimatologija), po drugi strani pa omogoča modeliranje ob spremembi vhodnih parametrov (npr. porast koncentracije CO2 v atmosferi, sprememba vegetacije, modifikacija padavinskih režimov).
Osnovni namen raziskovalnega projekta je določitev in kvantifikacija tokov ogljika na krasu ter lokalnih/regionalnih razlik, ki nastajajo predvsem zaradi različnih reliefnih in podnebnih značilnosti posameznih območij. Najprej bomo na osnovi dostopne slovenske in tuje literature postavili konceptualni model za različne reliefno-podnebne tipe Slovenije, nato pa ga kvantitativno nadgradili z izsledki disciplinarnih raziskav in terenskim delom. Raziskovalno delo bo potekalo trofazno.
V prvi fazi bomo kraške masive dojemali kot črno skrinjico (»black box«), kjer nas bodo zanimali predvsem »inputi« in »outputi« ogljika pri reliefno in podnebno različnih kraških masivih, ne pa razlike oz. tokovi znotraj le-teh. Terensko merjenje bo obsegalo fizikalno-kemično analizo vode na vstopih in izstopih v kraške sisteme, saj je voda medij za prenos ogljika. Meritve bodo v splošnem obsegale določevanje koncentracije raztopljenega ogljika in meritve vodnih pretokov, s čemer bomo lahko izračunali količino ogljika, ki vstopa in zapušča različne kraške masive. Rezultat bo splošna kraška bilanca ogljika za različne reliefno-podnebne tipe.
Razlike znotraj kraških masivov bomo ugotavljali v drugi fazi. Že opisani metodologiji analize voda bomo dodali meritve procesov, ki nam bodo podali trenutno (izračuni stabilnosti vode z računalniškim programom WATEQ4F in PHREEQC) in kumulativno (mikrometer, apnenčaste ploščice) smer in intenziteto kroženja ogljika oz. prehajanja med hidrosfero, atmosfero in litosfero.
V okviru tretje faze bomo izsledke prvih dveh faz vrednotili v luči preteklih in bodočih sprememb dejavnikov na kraški del ogljikovega cikla, predvsem z vidika klimatskih sprememb. Zanima nas predvsem vpliv klimatskih sprememb na spremenjen kraški tok ogljika in njegovo odražanje na kraških pojavih.
Pomen za razvoj znanosti
Sedanje intenzivne klimatske spremembe, ki imajo po splošnem znanstveno sprejetem prepričanju vzrok v antropogeno povečanih koncentracijah CO2 v atmosferi, so še vedno ena izmed vodilnih tem na področju globalne znanosti. Vloga krasa kljub nekaterim poizkusom, da bi ga predstavili kot globalni ponor ogljika ali pa le njegov pomemben del kroženja, ostaja obrobna. Naše raziskave potrjujejo, da deluje kras podobno kot oceani zaradi sposobnosti vezave oz. hranjenja CO2 kot blažilec antropogeno povečanih koncentracij v ozračju, a povzroča zaradi povečanega raztapljanja ogljikove kisline in nadalje kalcijevega karbonata sočasno druge nezaželene okoljske posledice, npr. zakisovanje oceanov. Kvantitativno je delež ponora na krasu na podlagi tega podoktorskega projekta z omejenim prostorskim in parametrskim obsegom raziskav težko opredeliti, vsekakor pa kaže na del nepojasnjenega ponora ogljika na Zemlji, ki se ga v klimatskih modelih izpušča zaradi presplošnega teoretskega pogleda na raztapljanje in odlaganje karbonatov, po drugi strani pa zaradi relativno majhnega deleža podzemne vode v primerjavi s slanimi vodnimi telesi, čeprav so lahko povprečni zadrževalni časi voda v kraškem podzemlju lahko zelo kratki. Ravnotežne koncentracije CO2 v kraških vodah, ki smo jih v podoktorskem projektu merili v okviru kvantitativno določene intenzitete kroženja anorganskega ogljika skozi kras, se v hidrogeoloških in geokemičnih pogosto zapostavljajo – bodisi zaradi nepoznavanja karbonatne hidrokemije vode, zaradi slabega poznavanja procesov, ki jih definirajo, ali pa zaradi odsotnosti oz. težav pri preciznih meritvah vrednosti pH, ki je kljub razvoju tehnologije še vedno svojevrsten izziv. Z našo raziskavo je jasno, da ravnotežno koncentracijo CO2 v kraških vodah pred izhajanjem CO2 iz vode (to je ob SICal=0) v primer avtogenega napajanja opredeljuje karakteristike podnebja na vodozbirnem območju, torej podobno kot temperaturo in kisikovo izotopsko sestavo vode. Pri enaki višini vodozbirnega zaledja razlike v vsebnosti CO2, ne pa kisikovi izotopski sestavi, nastajajo zaradi različne infiltracije, to je autigene (prenikla voda) ali alogene (ponornice). To je možno aplikativno uporabiti pri opredeljevanju zaledja podzemnih ali izvirnih voda, kar smo tekom projekta uspešno izvedli pri dveh aplikativnih projektih. Z raziskavami hidrokemičnih lastnosti, predvsem SICal, smo ustrezno potrdili geomorfološko gledano nizke vrednosti raztapljanja oz. počasno recentno rast jam z raztapljanjem, ki so jih predhodno objektivno kazale meritve z MEM in apnenčastimi ploščicami, ali pa klimatsko gledano nizke ponore ogljika z raztapljanjem večjih slovenskih ponikalnic, ki imajo vsaj del zaledja na karbonatnih kamninah. Tudi nekatere druge raziskave kažejo na močno razhajanje obstoječih splošno uveljavljenih procesno zastavljenih modelov od dejanskega stanja pri rasti jam. Očitno je, da modeli potrebujejo kalibracijo robnih pogojev oz. dejavnikov, pretežno koncentracij CO2, za katerega je bilo v preteklosti premalo terensko izmerjenih podatkov, kar pa smo z raziskavami vsaj deloma odpravili. Z vidika naših raziskav se večje aktivne jame kažejo za izredno star aktiven »relikt« prostora, ki je za svoj razvoj potreboval več sto tisoč ali pa celo več milijonov let. V površinskih voda je pojav lahko bistveno hitrejši zaradi svetlobno pogojene biokorozije, s čemer smo verjetno tudi v svetovnem merilu prvi kvantitativno potrdili edini relevanten proces za nastanek sotesk na neprodonosnih in z vidika kalcita prenasičenih površinskih rekah (npr. na kraških poljih), možno pa je, da igra pomembno vlogo tudi pri nastanku večjih antecedentnih dolin, npr. doline Kolpe in zgornje Krke.
Pomen za razvoj Slovenije
Sedanje intenzivne klimatske spremembe, ki imajo po splošnem znanstveno sprejetem prepričanju vzrok v antropogeno povečanih koncentracijah CO2 v atmosferi, so še vedno ena izmed vodilnih tem na področju globalne znanosti. Vloga krasa kljub nekaterim poizkusom, da bi ga predstavili kot globalni ponor ogljika ali pa le njegov pomemben del kroženja, ostaja obrobna. Naše raziskave potrjujejo, da deluje kras podobno kot oceani zaradi sposobnosti vezave oz. hranjenja CO2 kot blažilec antropogeno povečanih koncentracij v ozračju, a povzroča zaradi povečanega raztapljanja ogljikove kisline in nadalje kalcijevega karbonata sočasno druge nezaželene okoljske posledice, npr. zakisovanje oceanov. Kvantitativno je delež ponora na krasu na podlagi tega podoktorskega projekta z omejenim prostorskim in parametrskim obsegom raziskav težko opredeliti, vsekakor pa kaže na del nepojasnjenega ponora ogljika na Zemlji, ki se ga v klimatskih modelih izpušča zaradi presplošnega teoretskega pogleda na raztapljanje in odlaganje karbonatov, po drugi strani pa zaradi relativno majhnega deleža podzemne vode v primerjavi s slanimi vodnimi telesi, čeprav so lahko povprečni zadrževalni časi voda v kraškem podzemlju lahko zelo kratki. Ravnotežne koncentracije CO2 v kraških vodah, ki smo jih v podoktorskem projektu merili v okviru kvantitativno določene intenzitete kroženja anorganskega ogljika skozi kras, se v hidrogeoloških in geokemičnih pogosto zapostavljajo – bodisi zaradi nepoznavanja karbonatne hidrokemije vode, zaradi slabega poznavanja procesov, ki jih definirajo, ali pa zaradi odsotnosti oz. težav pri preciznih meritvah vrednosti pH, ki je kljub razvoju tehnologije še vedno svojevrsten izziv. Z našo raziskavo je jasno, da ravnotežno koncentracijo CO2 v kraških vodah pred izhajanjem CO2 iz vode (to je ob SICal=0) v primer avtogenega napajanja opredeljuje karakteristike podnebja na vodozbirnem območju, torej podobno kot temperaturo in kisikovo izotopsko sestavo vode. Pri enaki višini vodozbirnega zaledja razlike v vsebnosti CO2, ne pa kisikovi izotopski sestavi, nastajajo zaradi različne infiltracije, to je autigene (prenikla voda) ali alogene (ponornice). To je možno aplikativno uporabiti pri opredeljevanju zaledja podzemnih ali izvirnih voda, kar smo tekom projekta uspešno izvedli pri dveh aplikativnih projektih. Z raziskavami hidrokemičnih lastnosti, predvsem SICal, smo ustrezno potrdili geomorfološko gledano nizke vrednosti raztapljanja oz. počasno recentno rast jam z raztapljanjem, ki so jih predhodno objektivno kazale meritve z MEM in apnenčastimi ploščicami, ali pa klimatsko gledano nizke ponore ogljika z raztapljanjem večjih slovenskih ponikalnic, ki imajo vsaj del zaledja na karbonatnih kamninah. Tudi nekatere druge raziskave kažejo na močno razhajanje obstoječih splošno uveljavljenih procesno zastavljenih modelov od dejanskega stanja pri rasti jam. Očitno je, da modeli potrebujejo kalibracijo robnih pogojev oz. dejavnikov, pretežno koncentracij CO2, za katerega je bilo v preteklosti premalo terensko izmerjenih podatkov, kar pa smo z raziskavami vsaj deloma odpravili. Z vidika naših raziskav se večje aktivne jame kažejo za izredno star aktiven »relikt« prostora, ki je za svoj razvoj potreboval več sto tisoč ali pa celo več milijonov let. V površinskih voda je pojav lahko bistveno hitrejši zaradi svetlobno pogojene biokorozije, s čemer smo verjetno tudi v svetovnem merilu prvi kvantitativno potrdili edini relevanten proces za nastanek sotesk na neprodonosnih in z vidika kalcita prenasičenih površinskih rekah (npr. na kraških poljih), možno pa je, da igra pomembno vlogo tudi pri nastanku večjih antecedentnih dolin, npr. doline Kolpe in zgornje Krke.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
