А.Л.Шелепин

А.Л.Шелепин
Ветер в пещерах
Раздел 3 из неопубликованного и недописанного трактата
"Теоретическая спелеология с точки зрения любителя хождения по
пещерам", 1995г.
И ежу понятно, что ветер в пещерах возникает в конечном счете в
результате перепада давления. Однако сам перепад давления может
возникнуть по разным причинам. Как настоящий ученый-карстовед, начну
с классификации. Причины возникновения ветра в пещерах:
1. Разность температуры воздуха в пещере и на поверхности при наличии
нескольких входов, расположенных на разной высоте.
2. Увлечение воздуха падающей водой (водоструйный насос).
3. Изменение атмосферного давления.
4. Задувание ветра с поверхности.
5. Изменение уровня подземных вод.
6. Локальный нагрев воздуха в пещере.
Первые две причины встречаются очень часто; ветер же, возникающий в
результате колебаний атмосферного давления, обычно слабый
(количественные оценки будут даны ниже) и труден для наблюдения.
Последние три причины достаточно экзотичны.
Рассмотрим указанные причины более подробно.
1. Разность температуры воздуха в пещере и на поверхности при наличии
нескольких входов на разной высоте. Более холодный воздух имеет
большую плотность. В летнее время холодный воздух пещеры тяжелее, а
следовательно, его давление на нижнем входе больше атмосферного на той
же высоте. В летнее время этот более холодный воздух выбрасывается из
нижних входов, а в верхние входы засасывается атмосферный, который
быстро охлаждается. Зимой направление циркуляции обратное (Рис.1). В
переходный период, когда температура на поверхности примерно
совпадает с пещерной, циркуляция слабая, неустойчивая и ее направление
может меняться в зависимости от времени суток.Для возникновения
сильного ветра большой перепад высот не обязателен; основным условием
является наличие значительной разности температур между пещерой и
поверхностью. 50-70м перепада высоты вполне достаточно для
возникновения потока воздуха до 1м3/с при наименьшем сечении хода
около 0,4м2 (п.Малахитовая Оранжерея, сев. плато Фишта). (Каждый
может наблюдать этот эффект зимой у себя дома - в сильные холода
холодный воздух сифонит из щелей внизу окна или под дверью, а теплый
уходит сквозь щели вверху окна.) Наибольший расход воздуха,
обусловленный этим эффектом, я наблюдал на реке в пещере Снежная; по
грубой оценке, он составляет десятки м3/с (согласно [UsMa79] измерения,
проведенные в районе зала Победы, дали 50 м3/с).Расстояние, проходимое
воздухом в системе Снежной от самых верхних входов (пещер Иллюзия,
Дола, Труба, непроходимых для человека из-за узостей и расположенных
на высоте около 2400м) до нижних, находящихся в зоне леса, превышает
20 км при перепаде высот порядка 1,5 км. Летом высота, на которой
изменяется направление ветра на входах в систему, составляет 18001900м.Дадим здесь некоторые количественные оценки (если вы не любите
считать, то можно переходить к следующему абзацу). Предположим, что
перепад температуры Δt между пещерой и поверхностью составляет
20 градусов. Плотность воздуха ρ ≈ 1,29 кг/м3, коэффициент
объемного расширения k=3,67x 10-3 1/град, откуда Δρ =
ρkΔt = 0,095 ≈ 0,1 кг/м3. Если разница высот между
входами составляет 100м, а мы завесили нижний вход полиэтиленом, то
давление на него составит P=100 Δρ =10 кг/м2, а если 1000м, то
100кг/м2, или 7,3 мм.рт.ст. Заметим, что этот эффект оказывает некоторое
влияние
на
определение
глубины
пещеры
посредством
баронивелирования, но об этом ниже. Циркуляция воздуха, вызываемая
перепадом температур между пещерой и поверхностью, имеет сезонный
характер - зимой и летом ее направления противоположны - и поэтому
может быть названа сезонной. Она ярко выражена там, где имеется
большое число входов, расположенных на разных уровнях. На Гагрском и
Бзыбском хребтах, Фиштинском массиве это условие выполнено почти
повсеместно. На крымских же яйлах с их плоским рельефом ток воздуха в
пещерах обычно гораздо слабее, если вообще ощущается. Сезонную
циркуляцию воздуха можно использовать в весеннее время для поиска
входов по протаявшим воронкам. Возвратимся к примеру пещерной
системы Хипстинского массива, но уже ко входам, находящимся в зоне
леса (на высоте 1000-1100м) на расстоянии менее километра от конца
исследованной части п. Снежная. На выходе из п. Каньон расход воздуха
составляет в июле-августе 4-5м3/с. Это доказывает, что Каньон и Самохват
являются нижними входами в достаточно большую пещеру. При
смешивании с теплым влажным атмосферным воздухом происходит
конденсация водяных паров и облако устремляется от пещеры вниз по
расселине. На расстоянии 100-150 метров вниз по балке от входов в
Каньон и Самохват создается микроклимат - воздух значительно холоднее
и, к примеру, полностью отсутствуют комары, которых в окрестности
изобилие. Интересные впечатления я получил в начале марта 1990г. во
входной щели п. Ветерок. Если летом из нее выбрасывается в
горизонтальном направлении струя воздуха, хорошо видимая как
"струеобразное" облачко длиной несколько метров, то в зимнее время
пещера засасывает холодный воздух. Если температура воздуха на
поверхности составляет примерно минус 15 градусов, а вы поднимаетесь
из пещеры в мокром комбезе, то он тут же замерзает, становится твердым
и не позволяет пролезть в обледеневшие узости, а в лицо дует сильный
ветер. Для того, чтобы вылезти, некоторые участники срезали с себя
комбез ножом... Я же, вылезая из последнего 60-метрового колодца,
присел отдохнуть на уступ в паре метров от верха и моментально примерз
к скале. Вам еще не страшно, уважаемый читатель?
2. Увлечение воздуха падающей водой (водоструйный насос).Этот эффект
наблюдается практически повсеместно в обводненных вертикальных
пещерах. Как и водоструйном насосе, воздух увлекается падающей водой.
Ток воздуха усиливается, если рядом с обводненным колодцем имеются
сообщающиеся с ним сухие (см. Рис.2). Характерный (и наиболее
масштабный из известных мне) пример - 120-метровый колодец
("Коллектор") в пещере Крестик-Турист; воздух увлекается падающей
водой вниз, а затем поднимается по соседним колодцам, в результате чего
возникает круговая циркуляция. В данном случае расход воды в колодце
составляет 20-30 л/с, воздушный поток - порядка нескольких м3/с, а путь,
проходимый воздушным потоком - 350-500м.
3. Изменение атмосферного давления. Существенно проявляется лишь в
случае наличия полостей большого объема c узким входом (Рис.3). Для
оценки необходимых объемов используем формулу для идеального газа
PV=(m/μ)RT, что при постоянной температуре T и массе m дает
PV=const, ΔP/P = ΔV/V. При характерном перепаде давления
ΔP порядка нескольких миллиметров ртутного столба ΔP/P
≈ 1/300, откуда при среднем потоке воздуха 0,1 м3/c в течение суток
(что приблизительно отвечает 10 000 м3 за сутки) получим, что объем
полости V должен составлять 3000 000 м3 или зал 100x100x300 метров ничего себе зальчик! Формула ΔP/P =ΔV/V позволяет оценить
объем пещеры при известных изменении давления ΔP и объеме
воздуха ΔV, прошедшем через вход в результате этого изменения.
Чем больше объем, тем дольше отклик пещеры на изменение внешнего
давления и тем более длительные изменения давления (связанные с
изменением погоды) необходимо использовать для измерений. Для
наблюдений необходимо выполнение двух условий: большие объемы и
наличие одного небольшого входа. Если входов много, и к тому же они
расположены на разных уровнях, то на эффект, возникающий из-за
изменения атмосферного давления, будут накладываться как правило
гораздо более сильные, связанные с сезонной циркуляцией. Имеется
хороший обзор [Lewis91], посвященный влиянию изменения атмосферного
давления на циркуляцию воздуха в пещерах. В нем рассматриваются
колебания воздушного потока, вызываемые колебаниями атмосферного
давления с характерными временами от нескольких секунд до нескольких
дней. Особо рассматривается суточная цикличность.
4. Задувание ветра с поверхности. Очевидная причина ветра в коротких
сквозных пещерках (Рис.4а). Менее тривиальный пример - вертикальная
пещера ИГАН-4, расположенная на гребне Раздельного хребта в 200м.
выше входа в п. Снежная. Если в нижней части пещеры летом сильно дует
вниз, то во входной части (примерно до 50-60 метров глубины) ток воздуха
непостоянен и все время меняет направление. Это связано с тем, что склон
под входом достаточно крутой (примерно 35 градусов) и, несмотря на
отсутствие входов, проходимых для человека, на нем имеется несколько
мест с током воздуха через камни и щебенку (Рис.4б).
5. Изменение уровня подземных вод. Слава Богу, мне ни разу не довелось
наблюдать ток воздуха, обусловленный подъемом уровня воды. Если же
этот эффект имеет место, а вы находитесь в пещере, то надо не заниматься
измерениями, а спасать свою жизнь. Изменение уровня воды может
вызвать очень сильные перепады давления в замкнутых объемах за
сифонами (до нескольких атмосфер, как это случилось в п. им. В.
Пантюхина [Volsky94]).
6. Локальный нагрев воздуха в пещере. Как причина возникновения тока
воздуха с размером соотвестствующей области циркуляции порядка
нескольких метров наблюдался мной отчетливо лишь один раз в
тупиковом ходе системы Каньон-Самохват. В тупиковом колодцеобразном
ходе, разделенном на последних 3-4 метрах вертикальной стенкой (см.
Рис.5) на две части, в которой у самого дна имелось отверстие (сечением
порядка 0,2м2), я ворочал камни и таким образом вместе с парой свечек
нагревал окружающее пространство. Через некоторое время в отверстии
возник ток воздуха, слегка отклоняющий пламя свечи. Подумав было, что
продолжение в параллельном стволе, я переместился туда, а через
некоторое время изменилось и направление тока воздуха. Несколько слов о
наложении действия различных причин. Наиболее сильным (хотя обычно
локальным) является ветер, возникающий за счет увлечения водой; в
больших сильно обводненных колодцах он может достигать шквальной
силы. Вызывая многочисленные локальные завихрения, этот ветер на
многих участках пещер фактически не позволяет наблюдать ток воздуха,
обусловленный другими причинами. Глобальная (магистральная)
циркуляция обычно обусловлена разностью температур между пещерой и
поверхностью; она, в свою очередь, затрудняет наблюдения циркуляции,
обусловленной изменением атмосферного давления. Встречаются и
довольно сложные ситуации, для понимания которых необходимо
рассматривать процесс в динамике. Стандартная летняя циркуляция
воздуха в пещере предполагает засасывание воздуха верхним входом и
выбрасывание нижним, зимняя - наоборот, см. Рис.1. Летом циркуляция
воздуха системе Каньон-Самохват обычная - оба входа выбрасывают
воздух наружу. Казалось бы, зимой вход в Самохват (как нижний вход в
систему) должен засасывать воздух, но вместо этого из входа, как и летом,
сильно дует наружу! Более точно, происходит следующее. Основной поток
воздуха заходит через широкий вход в Каньон, при этом постепенно
нагреваясь, а затем разветвляется - большая часть проходит через завал и
узости на дне системы и уходит по направлению к гипотетическому
верхнему входу, а меньшая часть выбрасывается обратно на поверхность
через вход в Самохват (Рис.6). Эта особенность циркуляции объясняется
тем, что столб воздуха в Самохвате теплее, чем в Каньоне, где он еще не
успевает как следует согреться - веревки могут обледеневать в его
огромном колодце-трубе до глубины около 200м. (Проводились, хотя и не
систематически, измеререния температуры). Входная часть Самохвата (до
глубины 50м) узкая и имеет пропускную способность на порядок меньше,
чем Каньон, затем идут широкие колодцы с теплым воздухом. Завал на дне
системы сильно ограничивает пропускную способность, и часть воздуха из
Каньона выходит через Самохват.
Литература
[UsMa79] Б.Р.Мавлюдов, Д.А.Усиков. Предварительный отчет об
исследованиях пещеры "Снежная" Западно-Кавказским карстовогляциологическим отрядом отдела гляциологии Института географии АН
СССР (июнь-июль, 1979). Москва, 1979, 73с.
[Lewis91] W.C.Lewis. Atmospheric pressure changes and cave airflow: a
review. The NSS Bulletin v.53, 1991, No1, p.1-12.
[Volsky94] И.С.Вольский. Пропасть имени В.С.Пантюхина. Будет ли
новый мировой рекорд? Библиотечка спелеолога, выпуск 1, Изд-во МФТИ,
1994.