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 1800-1900м.

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?