22 марта 2007 г.

Владения Эола


Владения Эола

Согласно греческой мифологий, Эол - повелитель ветров, правитель острова Эолия, где нашел приют Одиссей во время своих Странствий. В гомеровских и позднейших сказаниях Эол - уже поэтический образ владыки ветров; он восседает со скипетром на вершине горы, над пещерой, в которой заключены ветры. Нам приходится только поражаться образности и точности представлений древних греков: действительно, в пещерах и шахтах почти всегда ощущается движение воздуха. Иногда это теплое и влажное дуновение, напоминающее нежный западный ветер Зефир, то холодные и буйные порывы сродни северному Борею...

Что же является причиной возникновения движения воздуха под землей? В спелеологии для объяснения этого явления обычно используют две модели - статическую и динамическую. К статическим пещерам относятся так называемые "холодные мешки" и "теплые мешки" (рис. 14). Это одновходовые полости довольно большого объема, имеющие широкие входы. К "холодным мешкам" (рис. 14, А) относятся нивально-коррозионные колодцы и шахты первых трех подтипов и пещеры-поноры. Зимой охлажденный и поэтому более плотный наружный воздух заполняет такие карстовые полости до уровня входа. Летом теплый воздух может прогреть только верхнюю часть пещеры. Нижняя ее часть прогревается очень медленно, за счет теплопередачи через стенки и постепенно возникающего конвективного теплообмена. Поэтому средняя годовая температура воздуха в таких полостях обычно не превышает 3-4°, а температура в холодный период достигает 3-6°, в них возникают скопления пещерного льда. К <теплым мешкам> (рис. 14, Б) относятся пещеры - бывшие источники. Здесь картина иная. Летом они хорошо прогреваются, и зимнее охлаждение происходит только путем теплопередачи через стенки. Их средняя годовая температура составляет 8-10°, а температура теплого сезона достигает 14-16°.

Статические пещеры Главная причина возникновения движения воздуха в таких полостях - изменение атмосферного давления на поверхности земли. При его увеличении возникает тяга воздуха внутрь полости, при уменьшении - наружу. Интенсивность тяги, естественно, невелика, и коэффициент воздухообмена (отношение суточного объема воздуха, проходящего через пещеру, к ее объему) в статических пещерах обычно не превышает единицы.

К динамическому типу относятся пещеры, имеющие два входа (на склонах или ни склоне и ни плато), или состоящие из главной галереи, соединенной с поверхностью узкими трещинами (рис. 15).

Динамическая двухвходовая пещера (ближняя часть Красной). Холодный воздух: 1-зимой; 2-летом. Теплый воздух: 3-зимой; 4-летом; 5-подземное озеро; 6-сифонЗдесь главная причина возникновения движения воздуха - наличие перепада давления между входами, находящимися на разных уровнях. Зимой более теплый и поэтому менее плотный воздух, находящийся в пещере, вы ходит через верхний вход, а холодный, наружный, воздух подсасывается через нижний вход. Летом, напротив, более холодный воздух "вытекает" из нижнего входа, а поверхностный теплый поступает в верхний вход. Это приводит к значительному охлаждению нижней части системы и прогреву верхней. Например, средняя годовая температура нижних этажей Красной пещеры составляет +8°, а верхних +11°. Скорость движения воздуха в таких пещерах весьма значительна: обычно она превышает 0,3-0,5 м/сек, а на отдельных участках может достигать 5-8 м/сек (ветровое окно и горло Шаманского в Красной пещере). Коэффициент воздухообмена в динамических пещерах может достигать 15-25, а в узких трещинных шахтах коррозионно-гравитационного типа - даже 75-120 раз в сутки! Понятно, что в главных, хорошо проветриваемых ходах таких пещер воздух всегда более свежий, чем в тупиках (см. рис. 15) или в статических пещерах (рис. 14). В этом, однако, кроется одна из специфических опасностей пещер: дым от факелов или от костра, неосторожно зажженного близ входа в такую пещеру, может доставить много неприятностей людям, находящимся в других этажах, иногда на расстоянии нескольких километров.

В пещерах с двумя входами часто появляются различные второстепенные причины возникновения движения воздуха: колебания атмосферного давления, эффект разрежения, связанный с движением водных потоков в узких ходах, порывы ветра на поверхности. Особенно сильно их влияние сказывается в переходные сезоны (апрель - май, октябрь - ноябрь), когда в пещерах устанавливается неустойчивое равновесие между циркуляцией холодного и теплого периодов. Очень большое влияние на направление и интенсивность циркуляции, оказывают карстовые сифоны. Зимой уровень воды в Красной пещере повышается и дальняя часть пещеры отделяется от ближней несколькими карстовыми сифонами. Движение воздуха отмечается только в главном ходе пещеры (рис. 15). Летом сифоны открываются и в движение приходят значительные массы воздуха, находящиеся в засифонной части пещеры.

Первые годы наблюдений над температурой и влажностью карстовых полостей Крыма дали разноречивые результаты: в каждой пещере или шахте мы обнаруживали свои особенности микроклимата. Порядок в нашем микроклиматическом хозяйстве удалось навести только после того, как были выделены классы и типы полостей разной морфологии. В привходовых частях пещер и шахт температура меняется в довольно широких пределах в зависимости от сезона года, месяца наблюдений и времени суток. Чем глубже мы уходим под землю, тем меньшими становятся колебания температуры. Сперва мы ощущаем суточные, затем недельные, месячные, сезонные и, наконец, только годовые ее изменения. На расстоянии 300-500 м от входа температуру воздуха можно считать практически постоянной (колебания на протяжении года не превышают 0,1-0,2°). Средняя температура этой "нейтральной" зоны для полостей различных типов колеблется от +4,4° (шахты-поноры) до +11° (одновходовые пещеры-источники). Интересно, что эту особенность тупиковых ходов Красной пещеры человек знал более полутора тысяч лет назад. В 1960-1961 гг. археологи комплексной карстовой экспедиции И. И. Домбровский и А. А. Щепинский обнаружили в одном из залов Археологического кольца обломки 12-15 больших амфор. Химический анализ показал, что их внутренние стенки были покрыты смолой. Очевидно, в Ш-IV вв. н. э. здесь располагалась кладовая вина.

Влажность воздуха почти во всех пещерах Крыма близка к 100%. Однако для практических целей значительно более важно не относительное, а абсолютное содержание влаги, которое измеряется в единицах давления (миллибары или миллиметры ртутного столба) или в граммах на 1 м3 воздуха. Многолетние маршрутные и полустационарные наблюдения, которые охватили каждую третью карстовую полость, дали обширный фактический материал - более 25 тысяч замеров температуры и влажности и более 4200 суточных лент самописцев. Выяснилось, что влагосодержание воздуха в различных пещерах и шахтах колеблется в нешироких пределах-от 6 до 10 г/м3. Если эта величина меньше, чем влагосодержание поверхностного воздуха, под землей происходит конденсация паров, поступающих с поверхности; если больше, то, напротив, происходит вынос влаги из пещеры.

Здесь уместно напомнить читателю, что конденсационная теория формирования подземных вод была выдвинута Отто Фольгером еще в 1877 г. С тех пор она неоднократно отвергалась и принималась с учетом новейших данных сторонниками различных гидрогеологических школ. Если для равнинных районов вопрос и сейчас остается открытым, то для горных карстовых районов значительная роль конденсационных вод в питании карстовых вод и формировании пещер не вызывает сомнения. Однако количественные данные к 1967 г. имелись только для Югославии. Ф. Иенко привел расчеты, согласно которым сток конденсационных вод с 1 км2 известнякового массива составляет от 1,8 до 3,0 л/сек. Расчеты, проведенные для горного Крыма, дали такую же цифру - 1,77 л/сек с 1 км2 Много это или мало? Судите сами. Эта величина составляет 7,3% годового количества осадков, или около 15% разности осадки минус испарение. Так как конденсация наблюдается только в теплый период, то меженный сток рек карстового питания на 75-80% обеспечивается "подземной росой". Вот и верь после этого пословице - "роса не напоит пруда"!

Изучение распределения температур в карстовых полостях Крыма дало интересные данные и о геотермических условиях горных карстовых районов. В любом учебнике геологии мы можем прочитать, что с глубиной температура растет, повышаясь в среднем на 3° на каждые 100 м. Правда, счет надо вести не от поверхности, а от некоторой индивидуальной для каждого района мира границы, называемой глубиной слоя постоянных температур. Гидрогеолог В. Г. Ткачук указывала, что в горном Крыму она должна быть значительно больше 20 м, однако то, с чем столкнулись спелеологи, оказалось неожиданностью. В карстовых шахтах на глубине 300-500 м от поверхности температура воздуха не превышает 6-7°, хотя в обычных условиях она должна была составлять 16-17°. Выяснилось, что естественное геотермическое поле карстовых массивов существенно искажено. Каждая карстовая шахта служит своеобразным <холодильником>, а их совместное влияние приводит к тому, что глубина залегания слоя постоянных температур в различных частях карстового массива составляет 200, 300 и более метров. Расчеты показывают, что на основании изучения микроклимата карстовых полостей возможна оценка теплового потока, поступающего из глубины земных недр.

В первые годы исследований карстовых пещер Крыма, зная о результатах исследований Бездонного колодца на Агармыше, спелеологи боялись встретить под землей опасные для жизни концентрации углекислоты. Поэтому каждый раз первым спускался разведчик - фонарь "летучая мышь". Если он пригаснет, значит, надо быть осторожным... Но фонарь не гас, дышалось под землей легко, и на некоторое время мы забыли об углекислом газе. Вспомнить о нем пришлось в 1966 г., когда очередь дошла до детального изучения гидрохимии карстовых вод. Если растворение - отложение карбоната кальция происходит согласно обратимой реакции

СаСО2+Н2O+СO2==Са++ +2НСО3-

то особую роль для оценки карбонатных равновесий получает парциальное давление СО2. До сих пор большинство исследователей принимало его равным 0,0003 атм (0,03%), что соответствует содержанию СО3 в атмосфере. Но так ли это? Здесь <летучая мышь> уже не годилась. В ход пошли специальные приборы - интерферометры, используемые для контроля содержания СО2 и СН4 в шахтах. В литровые бутылки с концентрированным раствором поваренной соли были отобраны многие десятки проб воздуха. Их анализ проводили специальные лаборатории крымских и Харьковских нефтегазоразведчиков. Результатов ждали с нетерпением. И недаром!

Почти во всех пещерах и шахтах Крыма отмечено значительное фоновое содержание СО2 (0,3-0,6%), в 10-20 раз превышающее атмосферное и связанное в основном с окислением органических веществ. Близ разломных нарушений, по которым происходит подток сухих струй газа, содержание СО3 возрастает до 3,0-4,0%, уменьшается содержание кислорода, появляются метан (от следов до 6,7%), этан, пропан, йзобутан, н-бутан... Концентрация СО2 и СH4 обычно не достигает опасных для жизни значений, но часто превышает нормы, принятые для рудничного воздуха (1%). Зато повышенное в 10-100 раз содержание СО2 в воздухе карстовых полостей активизирует коррозионные процессы и вносит существенные поправки во все гидрохимические расчеты. Не вдаваясь в детали, поясним эту мысль только несколькими цифрами. Растворимость СаСO3 при температуре 17° (классические лабораторные условия) и нормальном давлении СО2 0,0003 атм составляет 52 мг/л. Если повысить давление до 0,0030 атм, то она возрастет до 142 мг/л, а при давлении 0,0300 атм составит 290 мг/л! Существенная разница!

Пещерная глина, низкая температура, стопроцентная влажность и повышенные концентрации СО2 и СН4... Казалось бы, пещерные условия далеки от санаторных! Но это не совсем так. Пещерный микроклимат является мощным лечебным фактором. На VI Международном спелеологическом конгрессе в Чехословакии (1973) работала секция спелеотерапии и спелеомедицины. Выяснилось, что холодные пещеры, по своим микроклиматическим параметрам близкие к пещерам Крыма, могут быть использованы для лечения хронического бронхита, конституционно-аллергической и инфекционно-аллергической бронхиальной астмы. Лечению заболеваний дыхательных путей способствуют чистота воздуха, содержащего аэрозоли кальция и магния, постоянная влажность, тишина, а иногда несколько повышенная ионизация воздуха.

В Крыму, к сожалению, такие исследования не были организованы, но никто из спелеологов не жаловался на ухудшение своего здоровья даже после десятисуточного пребывания под землей.

Ссылки по теме:

Вернуться к оглавлению