 |
Б.Р.Мавлюдов
Институт географии Российской Академии наук
КЛИМАТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ПЕЩЕР
|
Опубликовано:
Вопросы физической спелеологии, Москва, МФТИ, 1994, с.6-24.
Рассмотрена организация климатических систем пещер разной морфологии. Основными морфологическими типами пещер являются: горизонтальные (со входами на разных высотных уровнях), наклонные нисходящие и наклонные восходящие. Климатическая характеристика других полостей может быть получена при использовании частей или сочетаний основных климатических систем. Рассмотрено влияние различных агентов на климатическое состояние пещер: климат местности, температура массива пород, обводненность полости, строение и размеры полости.
ВВЕДЕНИЕ
В метеорологии под климатом подразумевается многолетний, характерный для данного района режим погоды, а под погодой — физическое состояние атмосферы в определенный момент или промежуток времени, характеризуемое совокупностью метеорологических величин и атмосферных явлений [17]. По И. А. Гольцбергу [18], под микроклиматом следует понимать климат небольшой территории, возникающий под влиянием различий в рельефе, растительности, состоянии почвы, наличии водоемов, застройки и других особенностей подстилающей поверхности на суше; это климат поля, склона, холма, опушки леса, берега озера, осушенного болота, города и т.п. Особенности микроклимата проявляются в верхних слоях почвы и в нижнем приземном слое воздуха до высоты 100-200 м и в горизонтальном направлении до 10 км. Речь обычно идет о тех особенностях, которыми климат данного места отличается от климата смежных территорий. Согласно этому определению обычно говорят о микроклимате пещер. Понятие о микроклимате пещер сложилось еще в начале нашего века и обычно относилось к сравнительно небольшим полостям с достаточно однородным климатом. Однако открытия в спелеологии последних лет привели к выявлению множества пещер большой протяженности, многоярусных, а в горах — и с большими перепадами высот (пересекающими несколько высотных климатических поясов на поверхности). Климат таких полостей обладает значительной неоднородностью и довольно сложной организацией, так что порой приходится говорить о микроклимате отдельных частей пещер. Внимательное рассмотрение климатической организации пещер позволяет говорить о ее сложности даже для небольших полостей. На основании сложившихся представлений о микроклимате пещер уже невозможно удовлетворительно описать их климатическое состояние. В этой статье мы рассмотрим общие принципы климатической организации (климатические системы) пещер разной морфологии и размеров.
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КЛИМАТ ПЕЩЕР
Основными факторами, определяющими климат пещер, являются:
•климат той местности, где расположена пещера;
•форма полости, определяющая характер циркуляции воздушных потоков в ней;
•геотермическое состояние массива, в котором заложена полость;
•характер циркуляции водных потоков в полости;
•количество попадающих в полость атмосферных осадков (преимущественно твердых).
Кратко остановимся на рассмотрении влияния этих факторов на климатическое состояние пещер.
Внешний для пещер климат определяется географическим положением местности, ее высотой над уровнем моря, характером проходящих над ней влагонесущих потоков, удаленностью от моря и др. Наиболее важными характеристиками внешнего климата, которые влияют на формирование климата пещер, являются температура Т и влажность Е воздуха, скорость и направление ветра, атмосферное давление. При этом в местностях с холодным климатом температура воздуха в пещерах Тпещ ниже, чем в районах с теплым климатом. В пещерах южного склона Большого Кавказа отмечена среднегодовая температура воздуха Tпещ до 12°С [19], а в пещерах Урала до 5-6°С. В сухих регионах (например, на Памире) отмечено низкое значение Е в пещерах [11], а во влажных районах — высокая величина Е (речь идет о необводненных пещерах). Сильные летние ветры, дующие во вход небольших пещер, способствуют приближению их климата к внешнему. Резкиё изменения атмосферного давления приводят к появлению ветра в пещеру или из нее.
Наиболее важным агентом передачи составляющих внешнего климата в глубину пещер является перемещение воздушных масс. В основном движение воздуха в полостях зависит от формы полости. Различают два главных механизма движения воздуха в пещерах [16].
1.В полостях с несколькими входами на разных высотных уровнях возникает движение воздуха за счет разницы веса столба воздуха у входов. При этом зимой происходит движение воздуха от нижних входов к верхним, а летом — от верхних к нижним [6,7]; переключение тяги происходит при переходе значений температуры внешнего воздуха Твнеш через граничное значение, равное Т в срединной зове пещеры (называемой иногда нейтральной зоной [3]).
2. В наклонных полостях происходит движение воздуха за счет разницы его плотности в различных частях пещеры. В наклонных нисходящих пещерах холодный внешний воздух зимой вытесняет более теплый пещерный воздух; в наклонных восходящих пещерах теплый восходящий воздух летом вытесняет более холодный пещерный воздух [16]; выключение тяги в пещерах в обоих случаях происходит тогда, когда Твнеш = Тпещ [10, 12]. Движение воздуха в пещерах может происходить также при задувании ветра, засасывающем движении воды в пещере, изменении атмосферного давления вне пещеры [3, 16].
Температура Тпор пород массива, вмещающего полость, оказывает большое влияние на климатический режим в ней. Она является фоном, на который накладываются изменения Tвнеш, вызванные влиянием внешнего климата и движением воды. В спелеологической литературе распространены два мнения: что Тпещ в срединной зоне равна Tвнеш и падает с ростом высоты [21] и что Тпещ не зависит от Tвнеш, а определяется морфологией полости и особенностями ее воздухообмена [4, с.91].
Со вторым утверждением согласиться нельзя, поскольку доказано, что с ростом высоты местности (и соответственно падением Tвнеш) Тпещ падает [16, с.183]. Однако и равенство Тпещ и Tвнеш наблюдается не повсеместно. По-видимому, это представление уходит своими корнями во времена, когда были известны только среднеевропейские пещеры, где Тпещ ≈ Tвнеш. Из гидрогеотермии известно, что Тпор «нейтрального» слоя (слоя минимальной амплитуды колебаний Тпор), расположенного обычно на глубине около 15 м от дневной поверхности, на несколько градусов превосходит Tвнеш[20].
Для территории бывшего СССР эта величина варьирует от 2 до 6°С. С увеличением глубины от поверхности Тпор растет в соответствии с геотермической ступенью, характерной для данной местности, которая в среднем равна 30-40 м при повышении Тпор на 1°С. Если мы представим замкнутую полость, не имеющую контакта с поверхностью, то ясно, что в ней Тпещ = Тпор. Чем глубже от поверхности расположена полость, тем выше Тпещ. Следует ожидать, что в крупных пещерах вдали от входов Tпещ будет близка к Тпор. Наблюдения в некоторых пещерах показали, что Т в каналах пещер с малыми колебаниями температуры в течение года несколько ниже Тпор. Так, в Кунгурской пещере эта разность достигает 1°С, а в пещере Сумган-Кутук — 1,5°С. Поскольку пещеры располагаются в регионах с неодинаковой разницей Твнеш и Тпор нейтрального слоя, а также часто довольно глубоко от поверхности, то трудно ожидать одинаковых закономерностей соотношения Т срединных частей пещер и Твнеш . Так, для Приднестровской части Подолии и Карпат Tпещ в «нейтральной» части близка к теоретическому значению Тпор и превышает Tвнеш на 3,7°С [4], в Кунгурской пещере на Урале эта разница составила около 3°С для проветриваемых гротов и 4°С для непроветриваемых гротов [10], в пещерах и штольнях Памира величина Tпещ - Твнеш достигала 7°С [11].
Для ряда пещер обнаружены закономерности пространственного изменения Tпещ «нейтральных зон». На основе анализа статистических данных по значениям Тпещ подобраны уравнения для расчета термических условий в полостях в зависимости от широты и абсолютной высоты той местности, где находится пещера. Для Северной Америки зависимость имеет вид [22]:
Тпещ =38-0,6L-0,002h,
для Европы [23]:
Тпещ = 54,3-0,9L-0,006h,
где L — географическая широта, градусы; h - абсолютная высота, метры. Исходя из предыдущих рассуждений, можно предполагать, что такие формулы носят лишь оценочный характер. То, что Tпeщ в средней части большинства крупных пещер выше Tвнеш, приводит к заключению, что в таких пещерах среднегодовые потоки тепла и влаги направлены наружу.
Обводненность сильно влияет на климатическую ситуацию в пещерах. Поскольку теплоемкость воды примерно в 30 раз выше, чем теплоемкость воздуха, то понятно, что действие воды на климат пещер интенсивнее действия воздуха на него. Во многих европейских пещерах в низкогорье и среднегорье действие воды приводит к выравниванию Tпещ и Tвнеш. В то же время для горных пещер, питающихся большую часть года талыми водами снежников, характерно понижение Tпещ по отношению к Tвнеш [14,19]; питание пещер термальными водами приводит к превышению Тпещ над Tвнеш (Бахарденская пещера в Туркмении). Сезонное поступление воды в пещеры (весенние паводки) ведет к отеплению холодных и охлаждению теплых зон пещер.
Воздействие атмосферных осадков на климат пещер происходит в основном в привходовых частях полостей, куда осадки могут попадать. Твердые осадки, накапливаясь в пещерах, являются одним из источников холода и охлаждают климат привходовых частей. Жидкие осадки, как правило, приурочены к теплому времени года и отепляют климат пещер.
Рассмотрим естественные климатические системы типичных (необводненных) полостей: «горизонтальных» (под ними мы имеем в виду пещеры со входами на разных высотных уровнях) и наклонных мешкообразных с одним входом. Второй тип может быть разделен на два подтипа; пещеры со входом в верхней части и со входом в нижней части пещеры. Климатические системы пещер другой морфологии могут быть сведены к одному из перечисленных типов или к их сочетанию.
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЕ ПЕЩЕРЫ
Горизонтальные пещеры могут быть разделены на 5 климатических зон, начиная от нижнего входа (рис.1а) [8,10]:
1. переходная зона;
2. зона холодной температурной аномалии А—;
3. зона постоянных температур («нейтральная»);
4. зона теплой температурной аномалии А+;
5. переходная зона.
Зоны 2 и 4 впервые выделены В. С. Лукиным [8]. Наличие зон А+ и А— в таких пещерах противоречит понятию уравнивающей зоны между внешними и пещерными условиями, введенной В.Н.Дублянским [3].
Рис. 1. Распределение климатических зон и потоков тепла и влаги в пещерах: а) горизонтальных; б) наклонных нисходящих; в) наклонных восходящих.
1-5 — номера климатических зон. Направление движения воздуха в пещерах: 1 — зимой, 2 — летом; потока тепла: 3 — зимой, 4 — летом; потока влаги: 5 — летом, 6 — зимой.
1. Переходная зона у нижнего входа в пещеру в течение холодного периода года (период между двумя переключениями направления движения воздуха в пещере) испытывает влияние внешнего климата из-за движения воздуха в пещеру, воздействия солнечной радиации и внешнего ветра. В весеннее и осеннее время Т1 положительна, зимой — отрицательна и близка к Твнеш. (Здесь и ниже индексы 1,2,... 5 соответствуют рассматриваемым зонам.) В летнее время здесь наблюдается циркуляция воздуха из пещеры, а также воздействие солнечной радиации и внешнего ветра. При этом Т > 0, но ненамного, т.к. воздух попадает сюда, проходя зону А—. Величина зоны 1 различна в разных пещерах и зависит от размеров канала, интенсивности циркуляции воздуха в пещере, ориентации входа и направлений господствующих в данной местности ветров, количества заносимого во вход снега. Большую часть года влажность внешнего воздуха Eвнеш выше пещерной, т.е. поток влаги направлен в пещеру, и только первую половину зимы поток влаги направлен из пещеры. Для среднегодовых величин характерны соотношения T1 < Tвнеш, E1 < Eвнеш, а значит, в целом зона получает больше холода, чем тепла, и поток влаги направлен в пещеру.
2. Зона A— в течение зимнего времени испытывает влияние переходной зоны 1, а летом — зоны постоянных температур 3. Граница зон 2 и 3 может быть проведена по линии годовых колебаний Т в пределах 0,5°С. Т2 меняется от самых низких значений на границе с первой зоной (T2 < Tвнеш = T3) до температуры зоны 3 на границе с ней (Tвнеш < T2 = T3). Охлаждение зоны ниже уровня Tвнеш связано с тем, что поток холода, поступающий в зону А— со стороны зоны 1 зимой, не компенсируется потоком тепла из зоны 3 летом. Поскольку зимой абсолютная влажность воздуха от границы с зоной 1 к границе с зоной 3 растет, то поток влаги направлен в противоположном направлении, навстречу потоку воздуха (рис. 1а). Летом наблюдается аналогичная картина, но поток влаги совпадает с направлением движения воздуха. Таким образом, в течение всего года поток влаги в этой зоне направлен транзитом к нижнему входу в пещеру. Характер изменения T2 и Е2 в течение года можно видеть на рисунке 2. Протяженность зоны 2 зависит от диаметра канала, скорости ветра в канале и расстояния между входами. При наличии льдообразования в пределах внешней части зоны происходит некоторое повышение Т2 зимой (за счет выделения тепла при замерзании воды) и понижение летом (из-за поглощения тепла при таянии льда).
3. Зона постоянных температур воздуха образуется в центральных частях пещер и отграничена от зон 2 и 4 линиями с амплитудой колебания T около 0,5°С. Почему Т3 отличается от Tвнеш и Тпор, обсуждалось выше. Протяженность зоны зависит от протяженности ходов пещеры и расстояния между входами. При продвижении в сторону от основных воздухопроводящих каналов (в лабиринтовых пещерах) Т3 и Е3 несколько повышаются, а амплитуда их годовых колебаний уменьшается. Как видим на рис. 1а, вне зависимости от направления циркуляции воздуха в пещере наблюдается постоянный поток влаги от границы с А зоной к границе со 2 зоной, т.е. от зоны A+ к зоне А—.
4. Зона А+. Поскольку верхние входы горизонтальных пещер часто представлены трещинами и органными трубами, непроходимыми для человека, наблюдения в них почти отсутствуют. Внутренняя граница зоны проходит по линии с годовой амплитудой колебании T около 0,5°С, а внешняя — во границе максимальных значений T. Bеличина T4 меняется от максимальной (T4 > Тпор > Т3) до минимальной, равной Т3 (Тпор > T4 = T3). Поток влаги на внутренней границе зоны и зимой, и летом направлен в глубь пещеры (рис. 1а), как и на границе с зоной 5. Отепление зоны до температур, превышающих Tпор, связано с тем, что поток тепла, поступающий с границы зоны 5 летом, не компенсируется потоком воздуха из зоны 3 зимой. Протяженность зоны 4 зависит от ширины щелей и трещин, по которым движется воздух; она, как правило, меньше протяженности зоны 2. Так как максимальная амплитуда охлаждения массива зимой (измеряется от Т3) по абсолютной величине выше максимальной амплитуды летнего отепления массива, то я продолжительность периода отепления и скорости ветра летом и зимой различны. Например, в Кунгурской пещере период зимней тяги длится в среднем около 200 дней, а период летней тяги — около 150 дней [1]. Определенное влияние на климатический режим зоны 4 оказывает талая и конденсационная вода, поступающая из зоны 5 в зимнее время (при наличии снега на поверхности). Поток теплого воздуха, движущийся из зоны 4, вырывается в атмосферу (давая в сильные морозы струю белого пара, похожего на дым). Края потока контактируют со снегом и породой, на которой снег лежит. В результате охлаждения воздушного потока и конденсации влаги на снегу происходит его таяние и поступление воды в 5 и 4 зоны пещеры. Вода, продвигаясь вниз, согревается, отнимая энергию у воздушного потока и охлаждая стены канала. Когда температура воды превысит температуру воздуха, поступающего из пещеры, начинается испарение с поверхности воды, что является дополнительным источником охлаждения стен вертикального канала в зимнее время. Летом теплый и влажный воздух с поверхности через зону 5 поступает в зону 4, контактирует с более холодными, чем воздух, стенами, в результате чего происходит конденсация влаги и дополнительное выделение тепла. То есть стены дополнительно прогреваются детом за счет конденсация влаги. Вода, стекая с более теплых стен в глубь полости, помогает отеплять зону 4.
5. Верхняя переходная зона является выравнивающей между внешним климатом и зоной 4. Здесь все аналогично зоне 1, с тем отличием, что контактирует она не с холодной зоной, а с зоной A+.
Известно только несколько замеров температуры воздуха, выходящего из зоны 5 в зимнее время. В выходах воздуха над Кунгурской пещерой в октябре 1986 г. была измерена Т5 = 6,8°С при внешней температуре 0,3°С, в феврале над гротом Эфирный на выходе со дна воронки T5 составила около 4,5°С. На Бзыбском хребте на Кавказе измерена T5 = 2,2°С в выходящем из-под снега потоке воздуха на абсолютной высоте около 2000 м. На горе Развалка на Северном Кавказе отмечена Т5 = 6°С в восходящих струях воздуха при среднезимней температуре 2,7°C [9]. Охлаждение зоны в зимнее время возможно за счёт поступления в нее выпадающего и наметаемого снега. В зимнее время наблюдается вынос влаги из зоны 5, а летом — поступление влаги в зону; в обоих случаях направление потока влаги совпадает с направлением движения воздуха в пещере.
Рис. 2. Качественная картина годовой амплитуды колебаний температуры воздуха по протяжению пещер:
а) горизонтальной;
6) наклонной нисходящей;
в) наклонной восходящей.
Твнеш — среднегодовая температура местности, где расположёна пещера,
Tпор — температура массива вмещающих пород.
Для зимнего времени справедливы выражения:
Tвнеш < T2 < Т3 < T4 > Tвнеш,
Eвнеш < E2 < Е3 < Е4 > Евнеш,
для летнего времени:
Твнеш > T2 < Т3 < T4 < Tвнеш,
Eвнеш > E2 < Е3 < Е4 < Евнеш.
Все эти зоны наблюдаются в достаточно протяженных пещерах (вернее, там, где расстояние между входами значительно). Уменьшение протяжения пещер ведет к сокращению зоны 3, а уменьшение перепада высот между входами — к сокращению протяжения зон 2 и 4, так как уменьшение интенсивности циркуляции воздуха в пещере сокращает приход тепла и холода в полость. В небольших пещерах возможно полное; выпадение зоны 3, а также частичное или полное перекрытие зон 2 и 4. Уменьшение доступной части пещер за счет узостей приводит к тому, что мы видим только отдельные части климатической системы. Иногда приходится наблюдать пещеру, в которой имеется только А— или только А+. Примером холодных полостей могут служить небольшие пещерки в городе Илецке на Урале [7], горе Развалке на Кавказе [9]; примером теплых полостей могут служить колодцы в Крыму и на Кавказе, образовавшиеся по трещинам отседания. В таких колодцах в Крыму Tпещ превышает Tвнеш на 2°С [3].
Следует несколько слов сказать о коэффициенте воздухообмена горизонтальных полостей. Поскольку каналы пещер не являются идеальными трубами, а представляют собой чаще всего чередование расширений и узостей в сочетании с многочисленными боковыми каналами, то понятно, что струя воздуха, направленная от одного входа пещеры к другому, не захватывает весь объем полости Vпещ. Тот объем воздуха Vвоз, который участвует в циркуляции, можно рассматривать как динамический объем пещеры Vдин. Для сложных пещер всегда Vдин < Vпещ, а для лабиринтовых пещер Vдин << Vпещ. В зависимости от продолжительности рассматриваемого периода Vдин будет меняться. Поэтому, как нам кажется, введение коэффициента воздухообмена Vвоз/Vпещ [3] правомерно лишь для простых пещер, где весь объем воздуха сразу вовлекается в воздухообмен. Для сложных пещер этот коэффициент теряет смысл.
НАКЛОННЫЕ ПЕЩЕРЫ
Механизм движения воздуха в наклонных пещерах связан с термоциркуляцией воздуха: холодный тяжелый воздух движется вниз по склону вдоль пола галерей, теплый легкий воздух — вверх но склону вдоль свода галерей. В наклонных нисходящих пещерах холодный воздух вытесняет теплый зимой, а летом более легкий теплый воздух не может попасть в холодную полость. В наклонных восходящих теплый воздух вытесняет более холодный летом, а зимой холодный тяжелый воздух не может попасть в теплую полость.
Наклонные нисходящие пещеры (рис. 1б) представляют собой галереи, пол которых понижается вниз от входа. Такие пещеры в нижней части склона часто имеют заловидные расширения. Циркуляция воздуха охватывает только наклонную часть пещеры. В протяженных пещерах Такой морфологии выделяются три климатические зоны: переходная, зона холодной температурной аномалии А—, зона постоянных температур.
1. Переходная зона охватывает входную часть галереи, входной колодец или воронку. Здесь господствуют климатические условия, близкие к поверхностным, т.к. эта зона хорошо продувается ветрами. Зимой Т1 и E1 практически идентичны поверхностным, летом T1 в верхней части зоны может быть даже выше Твнеш в местах, освещенных солнцем. Нижняя граница зоны может быть проведена по границе освещенности, которая проходит вблизи с границей минимальной Tпещ. Обычно зона имеет небольшие размеры, но в некоторых полостях, особенно с широким входом, ветровое воздействие может проникать на значительную глубину (например, в пещере Большой Бузлук в Крыму эта глубина достигает 40 м от поверхности). Летом поток влаги направлен в пещеру, зимой — из пещеры. Иногда, если вход в пещеру ориентирован на юг, переходная зона и даже зона А- могут быть на время освещены солнцем (в пещере Б.Бузлук в мае солнце освещает зону 2 в течение 10 минут}.
2. Зона А—. Движение воздуха в пещере определяется величиной d = Твнеш — T2 и перепадом высот между входом концом зоны охлаждения. Чем больше d, тем больше скорость движения воздуха у пола галереи в глубь пещеры и тем больше противоток у свода полости из пещеры. Чем круче наклон хода, тем больше скорость движения воздуха. Уменьшение d приводит к сокращению воздухообмена между поверхностью и полостью. В этой климатической зоне зимой наблюдается увеличение Т2 от входа в глубь полости. Любые повышения Твнеш или сильный ветер запирают пещеру, т.е. в зоне 1 возникает либо застойная зона, либо местный вихрь, препятствующий попаданию внешнего воздуха в пещеру. Если при этом разница температур между верхней и нижней частью зоны охлаждения достаточно велика, чтобы преодолеть местные сопротивления, то образуется круговое движение воздуха, не связанное с поверхностью (местный вихрь). При небольшой высоте, но значительном протяжении галереи круговое движение может разбиваться на два и более вихрей. Следует отметить, что и при обычной циркуляции поток холодного воздуха начинает расти в высоту за счет прогревания и подъема мелких струй в потоке, которые при небольшой высоте галереи могут срываться встречным потоком. В отличие от горизонтальных пещер, где в зоне 2 наблюдается почти постоянное движение воздуха (зимой вверх, летом вниз), в наклонных пещерах движение воздуха возможно только зимой, да и то тогда, когда Твнеш < Т2 (т.е. не более 2/3 зимы). Зимой наблюдается вынос влаги из зоны 3 через зону 2 и зону 1 на поверхность; летом идет занос влаги с поверхности и из зоны 3 в зону 2, что ведет к ее отеплению за счет конденсации влаги. Внутренней границей зоны является линия колебаний годовых температур воздуха с амплитудой не более 0,5°С.
3. Зона постоянных температур. В ней годовая амплитуда колебания температуры Т3 изменяется от 0,5°С на границе с зоной 2 до значительно меньших величин. В зоне отсутствует движение воздуха, и T3 приближается к Тпор. В течение всего года наблюдается вынос влаги в зону 2.
В крупных наклонных нисходящих пещерах присутствуют все три зоны (например, пещера Мечта в Иркутской области), а в более мелких полостях могут присутствовать две или одна климатические зоны. Если вход в пещеру невелик и зимой засыпается снегом, то зона 2 развивается незначительно.
Аналогичным является строение климатических зон в наклонных восходящих пещерах (рис. 1в), но в них формируется А— в зоне 2 за счет поступающего в полость летом теплого легкого воздуха. Отепляющее движение воздуха в пещеру происходит под сводом, а вытекание более холодного и тяжелого воздуха — у пола галереи. Поток влаги в пещере зимой направлен от зоны 2 к зоне 3. и через зону 1 на поверхность. Летом поток влаги направлен с поверхности через зоны 1 и 2 к зоне 3. Весной затекание воздуха в пещеру начинается тогда, когда Твнеш превысит максимальное значение T2, осенью циркуляция воздуха заканчивается тогда, когда T2 становится больше Твнеш.
ВЕРТИКАЛЬНЫЕ И ОБВОДНЕННЫЕ ПОЛОСТИ
Колодцеобразные полости являются теми же наклонными нисходящими пещерами, но с углом наклона галереи, близким к 90°. Движение воздуха в таких пещерах происходит при тех же условиях, что и в наклонных нисходящих пещерах, то же относится и к распределению в них Т и Е. Холодный воздух обычно проникает в колодцы в середине ствола, а более теплый поднимается но периметру колодца. Однако если поперечные сечения в колодцах на разных глубинах неодинаковы, то возможно сбивание охлаждающей струи к одной из стен колодца. В колодцах чаще всего в зимнее время накапливается снег. В зависимости от соотношения глубины колодца, степени его охлаждения, количества выпадающих и наметаемых твердых осадков, количества тепла, приходящего в колодец с жидкими осадками, снег в нем может стаивать или перелетовывать. Снег - это дополнительный источник охлаждения колодцев. Чем больше снега, попадет в колодец, тем дольше он там сохранится. Особенности таяния и накопления снега в колодцах рассмотрены в работах [13, 15]. Большое количество слега, попавшего в колодец, гарантирует сохранение нулевых значений температур в нем на протяжении всего теплого периода года. Очень большая глубина колодцев не способствует сохранению снега в них, т.к. в этом случае снег попадает в практически не охлажденную воздухом полость (внутренняя часть зоны 2) я быстро стаивает из-за большого притока тепла от стен массива. В сухих глубоких полостях T3 может повышаться с ростом глубины в соответствии с геотермической ступенью данной местности.
ВЛИЯНИЕ ИНФИЛЬТРАЦИОННЫХ ВОД
Для горных районов законы поведения геотермических потоков еще не изучены, но ясно, что в горах от места к месту геотермические потоки сильно разнятся. Особенно сильно меняют распределение геотермических потоков в горах грунтовые роды, пополняющиеся за счет талых вод и жидких осадков. Эти воды попадают в толщу массива по трещинам и карстовым каналам. Водные потоки в пещерах накладывают очень большой отпечаток на климатические системы пещер. Чем больше воды попадает в полость, тем более однородным становится климат пещер, все ранее выделенные нами климатические зоны могут смазываться и размываться, поскольку водные потоки зимой отепляют, а летом охлаждают полости. Сквозная пещера с постоянным крупным водотоком будет содержать зону 3 и незначительные по размерам сезонные зоны 1 и 5. Полости с небольшим постоянным или эпизодическим сезонным обводнением летом теряют весь или часть запасенного зимой холода, так что в них по климатическим характеристикам зона 2 будет походить на зону 1.
Особенно большое значение для климатических систем имеет вода в вертикальных полостях с большим перепадом высот в горах, где потоки в пещерах во многом формируются за счет талых вод поверхностных или заглубленных в воронках или колодцах снежников. Талые воды так сильно охлаждают полости, что разность Тпещ — Твнеш становится существенной. Так, в пещере Куйбышевская (массив Арабика на Кавказе) на глубине 800 м от поверхности Тпещ ≤ 2°С [5], причем на той же абсолютной высоте Tвнеш ≈ 7°С. В пропасти Снежная (Кавказ) Тпещ меняется от 4,5°С на глубине 700м до 6,2°С на глубине 1370 м [14], в то время как Tвнеш на соответствующих высотах равна 6°С и 10°С. В источнике Мчишта (Кавказ), через который разгружается Снежная, среднегодовая температура воды около 10°С, а Tвнеш около 14°С. Для зоны постоянных температур в климатической системе пропасти Снежная может быть рассчитано изменение Тпещ с высотой — вертикальный градиент температуры. Он составляет -0,25° С на 100 м роста высоты (при —0,4° С/100 м в пещерах Карпат [4] и —0,6°С/100 м в свободной атмосфере).
Особенностью климатических систем крупных полостей является и то, что движение воздуха в них определяется не только перепадами высот между входами, но эжекторным действием воды, а также инверсией климатических зон в полостях, когда у верхнего входа наблюдается охлажденная зона (из-за скоплений снега), а у нижнего входа — более теплая зона. В последнем случае нисходящее движение воздуха в верхних частях пещерных систем летом будет противодействовать восходящему движению от нижнего входа. Повышение Т в зоне «постоянных» температур с глубиной ведет к неизбежному возникновению восходящего движения воздуха под сводами галерей (даже при отсутствии нижнего входа), Расходуемый воздух будет пополняться за счет воздушного потока, захватываемого водным. В целом климатические системы сложных полостей еще слабо изучены.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение следует отметить, что климатические системы пещер не есть нечто застывшее, неизменное. Изменения внешнего климата е могут не сказаться на климатических системах пещер. В первую очередь при этом затрагивается протяженность зон холодной и теплой климатических аномалий и степень прогрева и охлаждения массива пород в них. Потепление климата последних десятилетий привело к сокращению зоны 2 в пещерах (Кунгурская и Аскинская на Урале), исчезновению постоянного льда в Лаклинской пещере (Урал). Расчеты, проведенные по математической модели циркуляции воздуха в Кунгурской пещере, показали, что уменьшение Tвнеш на 1°С приводит к увеличению протяженности зоны отрицательных температур в пещере на 20-30 м [10]. Интересным примером изменения климатической системы является перестройка ее в системе пещер Киндерлинская-Ледневая на Урале на протяжении 10 лет (с 1985 по 1994 г.). При этом вход в Киндерлинскую пещеру являлся нижним входом в систему, а вход в Ледневую — верхним. Осенью 1985 г. наблюдалось синхронное переключение направлений тяги воздуха в - обеих пещерах при прохождении температурного порога около 6°С, что примерно равно Тпор. В августе 1994 г; тяга воздуха в пещере. Ледневая была неустойчивой: воздух то втекал в пещеру, то вытекал из нее. На основании этого можно заключить, что в системе появился новый вход, расположенный несколько выше входа в пещеру Ледневая.
Но не только природные изменения влияют на климатические системы пещер, В последние годы большое влияние на них стал оказывать антропогенный фактор. Человек может изменить как систему циркуляции воды и воздуха в пещерах, так и сами пещеры. Например, установка дверей в Кунгурской пещере привела к тому, что накопление холода стало зависеть от деятельности человека: если открыта зимой дверь, то идет накопление холода, если нет, то пещера отепляется. Установка двери на Бородинской пещере в Красноярском крае кривело к отеплению пещеры и полной деградации оледенения в ней. Установка бетонной пробки в пещере Мариинская на Урале привело к изменению системы циркуляции воздуха, разрастанию зоны 2 и оледенения в пещере [12]. Расширение проходов в пещерах приводит к изменению системы циркуляции воздуха в них (пещеры Деменовская [2], Снежная [14]). Понижение уровня грунтовых вод привело к осушению Кургазакской пещеры (Урал) и росту зоны оледенения в ней. Подтопление пещеры Андроновская (Урал) водами Камского водохранилища привело к уменьшению, а впоследствии и деградации зоны оледенения в пещере. Предполагается, что сведение леса могло повлиять на величину оледенения в пещере Аскинская (Урал). Приведенные примеры касаются не только тех пещер, которые подверглись оледенению. Поскольку регулярных климатических наблюдений в большинстве пещер не проводится, то изменения в оледенении полостей является хорошим индикатором перестройки климатических систем в них. Мы в общих чертах рассмотрели климатические системы основных морфологических типов пещер, детальное их изучение еще ждет своих исследователей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дорофеев Е.П., Мавлюдов Б.Р. Динамика оледенения Кунгурской пещеры //Пещеры. Итоги исследований: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. ун-т. — Пермь, 1993. — Вып. 23-24. — С. 131-140.
2. Дроппа А. Ледяные пещеры Чехословакии // Пещеры. — Пермь, 1964. — Вып. 4 (5). — С. 85-94.
3. Дублянский В. Н. Карстовые пещеры и шахты Горного Крыма. — Л.: Наука, 1977. — 182 с.
4. Дублянский В. Н., Ломаев А. А. Карстовые пещеры Украины. — Киев, Наукова Думка, 1980. — 180 с.
5. Дублянский В.Н., Кикнадзе Т. З. Гидрогеология карста Альпийской складчатой области юга СССР. — М.: Наука, 1984. — 128 с.
6. Крубер А. А. Карстовая область Горного Крыма. — М., 1915 — 319с.
7. Листов Ю. Пещеры-ледники //Материалы для геологии России. — СПб., 1885. — Т. 32 — С. 105-280.
8. Лукин В. С. Температурные аномалии в пещерах Предуралья и критический анализ теорий подземного холода // Пещеры, — Пермь, 1965.— Вып. 5 (6).— С. 164-172.
9. Лукин B.C. Температурные аномалии горы Развалки около г. Железноводска // Проблемы геометеорологии и аккумуляции зимнего холода. — Свердловск, 1990. — С. 50-53.
10. Мавлюдов Б. Р. Географические закономерности распространения пещер со льдом // Материалы гляциологических исследований. — М., 1985. — Вып. 54. — С. 193-200.
11. Мавлюдов Б. Р. Оледенение пещер Памира // Mатериалы гляциологических исследований. — М., 1987. - Вып. 59, — С. 173-179.
12. Мавлюдов Б.Р. Оледенение пещер Урала // Материалы гляциологических исследований. — М., 1988. — Вып. 61. — С. 123-129.
13. Мавлюдов Б. Р. Снежно-ледяные образования пещер — показатель современных природных условий горного региона // Материалы гляциологических исследований. — М., 1993. - Вып. 76. - С. 53-30.
14. Мавлюдов Б. Р., Морозов А. И. Пропасть Снежная // Пещеры. - Пермь, 1984. - Вып. 19. — С. 15-25.
15. Мавлюдов Б. Р., Втюрин В. И. Снежно-ледяные образования карстовых полостей Хипстинского массива // Материалы гляциологических исследований. — М., 1988. — Вып. 62. — С. 148-153.
16. Максимович Г. А. Основы карстоведения. Т. 1. — Пермь: Пермск. кн. из-во, 1963.— 45 с.
17. Матвеев Л. Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. — Л.: Гидрометеойздат, 1984. — 752 с.
18. Романова Е. Н., Мосолова Г. И., Вересаева И. А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983. — 246 с.
19. Тинтилозов 3. К. Карстовые пещеры Грузии. — Тбилиси: Мецниереба, 1976. —275с.
20. Фролов Н. М. Гидрогеотермия. — М.: Недра, 1976. — 280 с.
21. Pulina M. Denudacja chemiczna na obrazach krasu weglanowego. — Wroclaw, Warszawa: PAN, 1974.— 159 s.
22. Choppy J. La temperature des cavites en fonction de la latitude et de 1'altitude // Spelunca. — 1977. — No 3. — P. 117-118.
23. Moore G.W., Sillian F.S.C. Speleology. Study of caves. - Teaneck: Zephyrus Press, Inc., 1978. — 150 p.
|
