12 мая 2007 г.

Пещеры. Порядок и хаос

Регулярно падающие из отдельной обводненной трещины капли - классический пример упорядоченной во времени динамической системы. Однако она легко переходит в неупорядоченную - хаотическую.

Если скорость поступления воды из трещины мала, то образование и отрыв капель происходят очень медленно и распадаются на два процесса. Набухающая капля начинает совершать колебательные движения вверх-вниз, а отрыв ее от перемычки происходит в любой момент времени. Оставшаяся часть капли, втянувшись обратно в трещину, начинает колебаться внутри нее с амплитудой, зависящей от притока воды. Взаимодействие между ними и порождает хаотический процесс.

В пещерах часто наблюдается пространственно-временной хаос, выражающийся в неупорядоченной капели с плоских потолков, на первый взгляд не связанной с трещинным водопритоком. Механизм его довольно прост: капли, образующиеся на потолке, "подпитываются" из трещин за счет образования тонкой пленки воды. Капля, образующаяся в каком-либо месте потолка в результате случайных причин, начинает расти благодаря перетеканию воды от ближайших капель. Рост выделившейся капли ведет к подавлению других. Этот нелинейный процесс повторяется в разных точках поверхности, создавая хаотическую картину падения капель.

Реальная картина формирования капель на плоских поверхностях и их последующего стекания по стенам пещер осложняется влиянием сил адгезии (прилипания). Рассмотрим простейший случай - стекание капли воды по наклонной стене. Здесь все происходит почти так же, как при скольжении твердого кубика по гладкой поверхности,- действуют сила тяжести, сила реакции опоры и сила трения. Любой участок жидкости, контактирующий с поверхностью, со временем оказывается перед необходимостью оторваться от нее. Положение и размеры капли определяются значениями поверхностных натяжений на границах раздела фаз: жидкость - воздух (ж-в), жидкость - порода (ж-п) и порода - воздух (п-в), которые воздействуют на нее, подобно лебедю, раку и щуке. "Щука" (ж-п) стремится сократить площадь контакта жидкости с породой, препятствуя растеканию и способствуя образованию сферической поверхности капли; "рак" (п-в), напротив, стремится увеличить площадь этого контакта, а "лебедь" (ж-в), как и положено, "тянет" вверх, действуя на каплю под углом к поверхности контакта и помогая то "щуке", то "раку". В результате этого взаимодействия скатываться по поверхности начинают лишь капли, достигшие диаметра 4 мм... Но капля воды не твердый кубик. И перемещается она подобно гусенице: в тыльной части капли вода отрывается от поверхности и перетекает в лобовую часть.

Но стены пещер далеки от абсолютно гладкой поверхности. Они обладают шероховатостью, которая меняет угол скатывания капель. Наличие продольных и поперечных бороздок способствует растеканию воды. Она объединяется в струйки, которые движутся не прямолинейно, а по извилистому пути, "выбирая" наиболее подходящую дорогу. Порой, кажется, что вода движется случайно. На самом деле процесс закономерен: выступы препятствуют, а выемки и борозды способствуют растеканию воды. Если вода движется не отдельными струйками, а тонким слоем, ее поверхность как бы покрыта муаром интерферирующих волн.

Движение воды в виде капель и струй под землей изучено слабо. Это "ничейная зона", не попадающая в поле зрения гидрогеолога, карстолога и минералога. А между тем именно с ней связано образование многих форм микрорельефа пещер, являющихся великолепной иллюстрацией самоорганизации неживой материи, изучением которой начала заниматься новая наука - синергетика. Переход от порядка к хаосу и от хаоса к порядку в пещерах осуществляется в самых разных формах: если движение воды - это динамический процесс, то осаждение карбонатного материала с образованием различных отложений - спелеотем - это переход к статике. Об их особенностях мы поговорим позже.

Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга