Oświetlenie jaskini i skutki z tym związane

O degradacji środowiska jaskiń (szaty naciekowej) nie decyduje tylko liczba zwiedzających turystów, czas rocznego użytkowania, lecz także infrastruktura techniczna instalowana w tych obiektach. Bardzo istotne znaczenie na szybkość i rozmiary degradacji, jak wykazano w artykule, może mieć zainstalowane oświetlenie elektryczne.

Obiekty z trasami podziemnymi można podzielić na dwie zasadnicze grupy a mianowicie: zbudowane przez człowieka (lochy, fortyfikacje wojskowe, itp.) oraz będące wytworem przyrody (jaskinie). Różnice między tymi obiektami są zasadnicze, tak w klimacie, kolorystyce jak i architekturze. Bardziej interesujące z punktu widzenia procesów tam zachodzących są obiekty wytworzone przez naturę. Szata naciekowa i architektura występująca w tego typu obiektach jest magnesem przyciągającym liczne rzesze turystów zwiedzających i chętnych do zwiedzania. Obsługa dużej liczby turystów w jaskini wymagała i wymaga zapewnienia odpowiednich warunków do zwiedzania, między innymi oświetlenia. Z drugiej strony wiadomo, że niewłaściwe jego zastosowanie może prowadzić do wielu niekorzystnych zjawisk a mianowicie zmiany odbioru kolorystyki szaty naciekowej oraz, co najgorsze, degradacji środowiska jaskini. Ocena wpływu oświetlenia na środowisko jaskini możliwa jest jedynie w przypadku żmudnych badań prowadzonych w długim okresie. W artykule przedstawiono wyniki takich badań prowadzonych w jaskini Raj.

Jaskinia Raj została odkryta dopiero w połowie lat sześćdziesiątych XX stulecia. Jej nazwa związana jest z wędrówkami uczniów z Technikum Geologicznego w Krakowie po Ziemi Świętokrzyskiej. Grupa ta zwiedziła wcześniej niewielką, pozbawioną szaty nieckowej, znaną już w XVIII wieku Jaskinię Piekło pod Gałęziami. Gdy szczeliną dostali się do wnętrza niewielkiego wzgórza Malik, ujrzawszy bajkowy świat podziemi, na zasadzie przeciwieństw, nadali temu miejscu nazwę Raj.

Jaskinia Raj została udostępniona dla turystów ponad trzydzieści cztery lata temu. Jest to jaskinia niewielka, długość korytarzy wynosi tylko 240 m, mimo to corocznie zwiedza ją ponad 120 tysięcy turystów.

Fizyka tworzenia szaty naciekowej w jaskini

Utwory naciekowe jaskini są naturalną szczególnie piękną ozdobą podziemnych komór i korytarzy. Niezależnie od wartości estetycznych szata naciekowa przedstawia dużą wartość z dydaktycznego i naukowego punktu widzenia. Zwiedzającym jaskinię pozwala poznać i zrozumieć efekty i znaczenie twórczej działalności wody na obszarach krasowych.

Wiąże ona powstanie podziemnych pustek najczęściej ze zjawiskami krasowymi. Terminem tym określamy całość zjawisk powstałych w skutek chemicznego oddziaływania wody na podatne na rozpuszczanie i wymywanie skał (głównie wapienie, dolomity, anhydryty, gipsy, sole). Najagresywniej oddziałuje na nie woda zawierająca dwutlenek węgla (CO₂). Pochodzić on może z atmosfery, pokrywy roślinnej i glebowej, a także z podłoża skalnego. Przechodząc przez te środowiska, woda wzbogacana jest w CO₂. Im jej temperatura jest niższa, tym więcej go może w sobie rozpuścić. Z przytoczonych wyżej powodów Jaskinia Raj jest wyjątkowo cennym zabytkiem przyrody nieożywionej. Magnesem przyciągającym rzesze turystów jest misterna i fantazyjna szata naciekowa zbudowana z krystalicznego węglanu wapnia. Narastanie nacieków tego rodzaju polega na wytrącaniu się krystalicznego węglanu wapnia z wody przesączającej się przez strop do jaskini. Znajdujący się w roztworze kwaśny węglan wapnia Ca(HCO₃)₂ przechodzi wówczas w obojętny węglan wapnia CaCO₃, który jako znacznie trudniej rozpuszczalny, wytraca się w postaci krystalicznej. Przebieg tej reakcji uwarunkowany jest ilością CO₂ zawartego w powietrzu i roztworze, ilością wydzielanego CO₂ podczas przebiegu reakcji a także ich wzajemnym stosunkiem. Poza tym przebieg reakcji w dużym stopniu jest uzależniony od mikroklimatu, jaki panuje w jaskini: wilgotności, temperatury atmosfery w jaskini. Pewną rolę w budowie szaty naciekowej mogą odgrywać procesy życiowe organizmów i bakterii, najprawdopodobniej procesy bakteryjne tworzą nacieki groniaste i grzybkowe. Będąca pod ciśnieniem hydrostatycznym, rozpierająca na boki woda, rozpuszczając skałę wzdłuż poziomych szczelin i warstw skalnych, tworzy system podziemnych korytarzy. W wyniku wyżej opisanych procesów w pustkach krasowych, gdzie występują sprzyjające warunki mikroklimatyczne, powstaje szata naciekowa. Dlatego też decyzja o udostępnieniu jaskini Raj dla zwiedzających mogła budzić pewne obawy, czy nie wystąpią negatywne zmiany mikroklimatu. W pewnym stopniu obawy te się potwierdziły, gdyż wprowadzenie do jaskini oświetlenia elektrycznego oraz wejścia grup turystów spowodowało podniesienie temperatury oraz zwiększenie poziomu CO₂, ponadto nastąpił spadek wilgotności powietrza w jaskini.

Efekty oświetlenia jaskini lampami żarowymi

System oświetleniowy w Jaskini Raj projektowany ponad trzydzieści lat temu opierał się głównie na płaskiej ekspozycji, poszczególnych jej elementów, przy zastosowaniu żarowych źródeł światła. Do oświetlenia wszystkich komór jaskini, a jest ich pięć, zastosowano reflektory ze źródłami o mocy od 100W do 200W, natomiast chodniki komunikacyjne oświetlano przy pomocy opraw umieszczonych w niszach ze źródłami o mocy 60W. Całkowita moc zainstalowanych źródeł światła w jaskini wynosiła około 25kW. Szereg elementów jaskini wartych właściwego wyeksponowania pozostała jednak nieoświetlona. Uniemożliwiało to zwiedzającym dostrzegać i doceniać piękno zjawisk krasowych. Tam, gdzie uznawano, że istnieją niedoświetlone pola lub fragmenty, dokładano dodatkowe punkty oświetleniowe. W szczytowym okresie moc zainstalowanych źródeł światła przekraczała 30kW.

Rys. 1. Widoczne pole lampowe w komorze Stalaktytowej

Po paru latach eksploatacji zauważono w pobliżu reflektorów i powierzchniach przez nie oświetlanych (wzrost temperatury) degradację środowiska jaskini (wynik zmian mikroklimatycznych). Takie zmiany mikroklimatyczne doprowadziły do wystąpienia w wielu miejscach procesów fotosyntezy i zaczęła pojawiać się flora lampowa (zielonkawe pola glonów i mchów). Piękne stalaktyty, polewy i kolumny zaczęły pokrywać się zielonkawym nalotem (rys. 1). Obecność glonów i porostów zielonych na naciekach kalcytowych jest bardzo szkodliwa, powoduje rozpuszczanie węglanu wapnia, z którego tworzy się szata naciekowa. Obserwacja szaty naciekowej w jaskini – a właściwie bardzo intensywny rozwój glonów (pola zieleni) na powierzchni naciekowej rozwijał się szczególnie w dwóch miejscach, a mianowicie: na wysokości około 1 m od podłoża w bezpośrednim zasięgu światła reflektorów oraz w pobliżu samych reflektorów, zjawisko to zostało spowodowane zmianą warunków mikroklimatycznych w tych rejonach. Rozwój zielonych pól w pobliżu reflektorów spowodowany był wzrostem temperatury podłoża (różnica temperatur podłoża przed uruchomieniem reflektora i po zakończeniu jego pracy podczas jednego cyklu wynosiła nawet 15°C). Natomiast na powierzchniach oświetlanych nie obserwowano zmian wartości temperatury (czas naświetlania przy obowiązującej specyfice oprowadzania grup turystycznych wynosi około 0,3 godz./godz.). Wyniki dotychczasowych badań prowadzonych przez autora wykazują, że rozwój masy chlorofilowej jest bardzo istotnie uwarunkowany od mocy i czasu naświetlania roślin i glonów promieniowaniem optycznym. Gwałtowny rozwój mchów i glonów spowodował, że po kilkunastu latach eksploatacji jaskini zaczęto zmniejszać ilość i moce źródeł światła w istniejących oprawach. Zakładano, że ograniczy to rozwój masy chlorofilowej. Zabieg ten jednak nie spowodował zmniejszania się flory lampowej (zielone pola). Doprowadziło to w efekcie do tego, że szereg elementów jaskini wartych właściwego wyeksponowania zostało ukryte w mrokach.

Biorąc pod uwagę fakt, że jaskinia Raj jest jaskinią statyczną (brak połączenia kominami z atmosferą), tzn. nie ma w niej prądów powietrza. Sprzyja to koncentracji powietrza przesyconego CO₂ w komorach, niszach i wnękach jaskini. Do tego, jeśli dołoży się oświetlenie punktowe dużej mocy, to już występują bardzo dobre warunki dla rozwoju glonów. Przerwanie tego zjawiska jest niezmiernie trudne. Praktycznie każdy obiekt, jakim są jaskinie ma inną „fizjologię”, dlatego nie można wprost zastosować technik stosowanych w innych jaskiniach do jaskini Raj. Jak wspomniano wyżej jaskinia Raj jest jaskinią małą – 240 m długości, dlatego nie można tu zastosować rozwiązania stosowanego w innych obiektach a polegającego na wyłączeniu części trasy turystycznej (na kilkadziesiąt lat) i skierowaniu ruchu na inny odcinek mniej zagrożony – w inną część jaskini.

Po dwudziestu pięciu latach eksploatacji turystycznej jaskini Raj przeprowadzono szczegółową analizę mikroklimatu i zjawisk krasowych jaskini oraz zjawisk i czynników mających decydujący wpływ na jego kształtowanie. Wskazano, że czynnikiem, który w istotny sposób wpływa na degradację środowiska jaskini jest oświetlenie (powstawanie flory lampowej). Wszystko wskazywało jednoznacznie, że system oświetlenia oparty na temperaturowych źródłach światła wpływa destrukcyjnie na jaskinię; przyspiesza rozwój nienaturalnych w jaskini form takich jak glony, mchy, zniekształca odbiór zjawisk krasowych i kolorystykę jaskini. Temperaturowy system oświetlenia jaskini wpływa niekorzystnie na istniejące tam formy życia zwierzęcego, które mogą zniknąć nawet na zawsze. Biorąc pod uwagę wyniki wieloletnich obserwacji zmian zachodzących w jaskini, których najistotniejsze elementy przedstawiono powyżej, zatrzymano się przed dylematem zamknąć jaskinię, zrezygnować z oświetlenia, czy też szukać systemu oświetlenia, który nie będzie degradował tego środowiska. Wybrano trzecie rozwiązanie, lecz postawiono następujący warunek, musi być to system przyjazny temu środowisku. Czyli zastosowanie nowego systemu oświetlenia powinno (pomijając aspekt; oddawania rzeczywistej kolorystyki jaskini, wyeksponowania poszczególnych elementów jaskini):

• ograniczyć do minimum rozwój zielonych pól wokół źródeł światła (nie dotyczy ciągów komunikacyjnych),
• zahamować rozwój pól lampowych na powierzchni oświetlanej.

Oświetlenie światłowodami

Po przeanalizowaniu właściwości i możliwości dostępnych źródeł i systemów oświetleniowych przyjęto następujące rozwiązanie:

• oświetlenie podstawowe każdej komory wykonane będzie światłowodami, oświetlenie ekspozycyjne komór temperaturowymi źródłami światła,
• oświetlenie korytarzy komunikacyjnych, tzn. sztolni i chodników temperaturowymi źródłami światła.

Zastosowanie systemów światłowodowych (system światłowodowy składa się z: generatora światła, wiązek światłowodowych i soczewek) w jaskini wiązało się z koniecznością rozwiązania kilku problemów, a mianowicie: obniżeniem temperatury generatorów (podczas pracy wydzielają duże ilości ciepła), ograniczenie promieniowania poza zakresem widzialnym. Obniżenie temperatury wokół generatorów uzyskano stosując specjalnie skonstruowane termosy z tworzyw sztucznych z membranami. Obliczenia pojemności termosów dokonano przy założeniu, że różnica temperatur powłoki termosu i otoczenia nie będzie większa niż 1,5°C po czasie pracy generatora 0,6 godz./godz. Obliczenie pojemności Vzb termosów dokonano korzystając z wzoru:

gdzie:
ΔP – moc zamieniana na ciepło,
ΔT_pw – gradient temperatury,
h_po – współczynnik transformowania ciepła wewnątrz termosu w wyniku konwekcji,
h_ow – współczynnik transformowania ciepła w atmosferze jaskini w wyniku konwekcji.

Na powierzchni termosów i w pobliżu (po ośmiu latach eksploatacji) nie obserwuje się występowania zielonych pól.

Z każdego generatora poprzez przepusty w termosie wyprowadzono wiązki światłowodowe. Każda wiązka światłowodowa składa się z ośmiu kabli (włókna światłowodowe wykonane są z PMMA) o średnicy aktywnej 5mm i długości 4m, 6m każda. Na końcówkach kabli zastosowano soczewki o różnym kącie rozsyłu w zależności od architektury przestrzennej, tak by możliwie jak najpełniej ukazane było piękno jaskini i zjawiska krasowe w niej występujące. Pomimo, że włókna światłowodowe wykonane z PMMA wykazują dużą tłumienność w zakresie UV, to dodatkowo w generatorach zastosowano filtry UV. Na powierzchniach oświetlanych nie obserwuje się występowania pól lampowych, a co ciekawsze poprzez właściwe rozłożenie powierzchni oświetlanych obserwuje się ustępowanie starych pól lampowych, jaskinia zaczyna ponownie w tych miejscach żyć rys.2.

Rys.2. Komora Stalaktytowa oświetlona systemami światłowodowymi, nie występują pola lampowe, widoczne strużki naciekowe

Pewien problem stanowi w dalszym ciągu oświetlenie ekspozycyjne (okazjonalne) w komorach jaskini (stanowi ono jeszcze około 10% oświetlenia). Reflektory ekspozycyjne (moce ich wynoszą 50W i 75W) zostały zainstalowane także w miejscach dotychczas nieoświetlanych i mimo bardzo rzadkiego ich użytkowania obok reflektorów i w miejscach oświetlanych (nawet w odległości 6m od reflektorów) zaczynają występować pola lampowe. Oświetlenie sztolni i chodników zrealizowano temperaturowymi źródłami światła o mocy 25W. Oprawy umieszczono w sztucznych niszach skalnych na bocznych ściankach wydrążonych korytarzy.

Nisze w górnej części zrównano z podłożem elementami maskującymi, które jednocześnie kierują światło tylko na chodnik (czas naświetlania wynosi około 0,2 godz./godz.).
W niszach w miejscach oświetlanych obserwuje się powstawanie zielonych pól, lecz występowanie ich nie powoduje żadnych skutków ubocznych dla jaskini.

Efekty nowego systemu przyjaznego systemu oświetlenia jaskini pokazano na rys.3.

Rys. 3. Pająk jaskiniowy

Antoni Różowicz, Sebastian Różowicz – Politechnika Świętokrzyska
lipiec 2009