12 мая 2007 г.

Карстовые пещеры. Капельно жидкая форма движения воды

Второй формой движения воды, проникшей под землю в виде атмосферных осадков или образовавшейся вследствие конденсации, является капельно-жидкая. Ну уж тут-то не будет никаких неожиданностей, подумаете вы. Ведь капли дождя мы наблюдаем и на поверхности...

Каплям, действительно, посвящены десятки серьезных исследований и популярных книг. Они всегда в движении, в динамике рождения, преобразования, исчезновения. Их полет - это колебания размеров и формы, распад и слияние, испарение и конденсация. С микроскопических капель горючего начинались ракетная авиация и ракетостроение. Многообразие проблем, связанных с ними, породило мысль о создании науки о капле - "сталагмологии". Не утомляя читателя математическими формулами, коснемся только некоторых особенностей поведения капель воды в карстовых полостях.

"...Мы сидим на покрытом глыбами известняка втором этаже Красной пещеры. Над нами на 135 метров (45-этажный дом...) взметнулся купол Голубой Капели. Там, в недосягаемой вышине, зарождаются капли. В свете наших сильных фонарей видно, как происходит их отрыв. Они набирают скорость - кажется, прямо в лицо летят сверкающие шарики... Но нет. Они проносятся мимо. Удар - и во все стороны разлетаются блестящие осколки. Воздух насыщен водяной пылью и пронизан волнами ритмичных звуков, создающих тот неповторимый фон, который свойствен только подземному миру..."

Приведенные строки - выписка из полевой книжки автора, по специальности гидрогеолога. Интересно сравнить их с восприятием сидевшего рядом физика и кристаллографа Владимира Илюхина. В его блокноте несколько коротких фраз со знаками вопроса: Размеры капель? Скорость и характер падения? Удар? Ответы на них пришли значительно позже.

Размеры капель воды, образующихся в карстовых полостях, зависят от диаметра питающего канала или ширины трещины, интенсивности поступления воды (времени каплеобразования), температуры, поверхностного натяжения (для чистой воды - 70 дин/см), плотности воздуха и многих других причин. Использовав формулу Стокса и выполнив ряд несложных расчетов, можно прийти к понятиям о "маленькой" и "большой" каплях. Маленькая капля имеет размеры, при которых сила поверхностного натяжения больше, чем сопротивление воздуха. Маленькие капли имеют диаметр меньше 0,02 мм. Большие капли (диаметр около 1 мм), напротив, имеют размеры, при которых сила поверхностного натяжения меньше, чем сопротивление воздуха. В условиях пещер мы имеем дело в основном с большими каплями, маленькие капели образуются только близ водопадов, где происходит дробление водяной струи.

Процесс образования капли далеко не так прост, как кажется. Его удалось восстановить, только использовав киносъемку. Набухающая капля увеличивает свой объем, постепенно достигает предельной для данной трещины кривизны (рис. 58). Выходя из трещины, она образует тонкую перемычку, затем отрывается от нее и падает. Перемычка же меняет форму, постепенно превращаясь во вторую каплю меньших размеров. Судьба ее неожиданна: она не летит за большой каплей, а как бы подскакивает вверх, поглощаясь трещиной. Если приток воды из трещины сравнительно большой, то из перемычки образуется множество капель-сателлитов.

Расчеты свидетельствуют, что маленькие капли летят со скоростью, пропорциональной квадрату их радиуса (около 1 м/с), а крупные - до 10 м/с. Сопротивление воздуха расплющивает их - плоская лепешка, надутая воздухом, становится подобной парашюту. Образующая его "пленка" в конце концов прокалывается воздушной струей и распадается на более мелкие капли. Если диаметр капель недостаточен для парашютирования, они начинают вибрировать - менять форму от сферической до эллипсоидальной. Это влияет на отражение света: капля смотрится то темной, то светлой, а на фотографии возникает "пунктир".

Движение капель происходит равноускоренно. По формуле S = gt2/2 легко рассчитать, что при скорости скапывания 0,1 с расстояние между двумя смежными каплями через 0,1 с будет 5 см, а через 1с - уже 93,1 см... Именно это является причиной образования капель из струй, вытекающих из полностью заполненных водой трещин.

Поведение капель в полете помогло разгадать еще одну загадку. В шахтах массива Алек впервые было отмечено, что температура воды в верхней и нижней частях 40-50-метровых каскадов различается на несколько десятых долей градуса. Причем увеличение температуры происходит не при стекании, а в свободном полете. Вода имеет вязкость, поэтому при переходе к более "экономной" сферической форме часть освободившейся энергии расходуется на нагрев капель.

Что же происходит при ударе капли о преграду? Конечный результат ясен: каждый спелеолог видел эгутационные ямки, выдолбленные в скале или в натеке капающей водой. Но какова кинематика этого процесса? Почему "капля камень долбит"? При столкновении капли с преградой она испытывает на себе гидродинамический удар: через нее в противоположном падению направлении распространяется волна торможения (наш современный мир подсказывает аналогию - внезапная остановка у светофора распространяется на все автомашины в пределах квартала). Использовав закон Ньютона (сила есть произведение массы на ускорение), легко определить давление, развиваемое в момент удара,- до 100 кг/см2... Его вполне достаточно для разрушения породы, поворота песчинок и косточек, на которых нарастают слои кальцита, образуя пещерный жемчуг.

Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга