назад оглавление вперед

Б. Мавлюдов
Кандидат географических наук
Москва, Институт географии РАН


ИНТЕНСИВНОСТЬ ИСПАРЕНИЯ ЛЬДА В ПОДЗЕМНЫХ ПОЛОСТЯХ

Результаты измерения льда
в пещерах Архангельской области и Памира

Статья поступила в редакцию "Материалов гляциологических исследований" 10 января 1984 г. Для публикации в "Северном СпелеоАльманахе" представлена членом редколлегии И.М. Лебедевой

В условиях отсутствия солнечной радиации главными составляющими теплового баланса пещер являются тепло- и влагообмен воздуха между их внутреннеми частями и поверхностью. Наиболее интенсивно эти процессы проходят во внешних частях пещер, больше всего подверженных влиянию наземного климата. В то же время климат пещер имеет свои специфические черты, обусловленные влиянием физических и теплофизических свойств вмещающих пород, особенностями строения подземных полостей, наличием геотермического потока.

снежинка изучение интенсивности испарения льда
Такие "листья" из сублимационного льда совсем не редкость в пинежских пещерах. Пещера Китеж.
Фото В. Лазарева
Изучение интенсивности испарения льда в одной из хорошо вентилируемых галерей пещеры Ераськина-5 (пещерная система им. Географического общества СССР). На переднем плане с анемометром - Б. Мавлюдов. 1982 г.

Гляциологический интерес представляет изучение климатообразующей роли подземных снежно-ледяных образований, на которых конденсация влаги или испарение являются регуляторами тепло- и влагосодержания воздуха пещер. Оба эти процесса наблюдались исследователями, но без количественной оценки [l, 2, 9, 10] . Автором получены первые сведения об испарении льда в пещерах по наблюдениям 1982 г. в двух разных по географическому положению районах: на Беломорско-Кулойском карстовом плато в Архангельской области в пещерной системе имени Географического общества СССР и на Памире в штольне. В первом районе наблюдения за испарением проводились на абсолютной высоте около 50 м с 7 по 15 марта, т.е. зимой, а во втором районе - на абсолютной высоте около 4800 м с 12 по 19 августа.

Распределение скорости ветра
Рис.1. Распределение скорости ветра в м/с по сечению хода на участке пещерной системы имени Географического общества СССР в Архангельской области.

Для наблюдений в пещерной системе имени Географического общества СССР в 50 м от входа был выбран участок пещеры с одинаковым сечением на протяжении 4 м. Здесь на высотах 0,25, 0,5 и 1 м на капроновой леске подвешивались по два ледяных монолита кубической или цилиндрической формы, выпиленных из сталагмитов. Объем монолитов колебался от 33 до 175 см3, площадь поверхности- от 58 до 200 см2. У границы участка проводились градиентные наблюдения за температурой и влажностью воздуха, скоростью ветра. Через каждые три часа монолиты взвешивали с точностью 0,02 г.

За период наблюдений температура воздуха на исследованном участке пещеры колебалась от -4 до -8°С, влажность воздуха - от 300 до 400 Па, тогда как вне пещеры температура воздуха изменялась от -8 до -31°С, а влажность воздуха - от 30 до 270 Па. Колебания температуры и влажности в пещере соответствовали их колебаниям вне пещеры с запаздыванием на 1-4 часа. Скорость ветра в пещере изменялась от 0 до 0,6 м/с. Постоянно низкая абсолютная влажность поступающего в пещеру воздуха явилась причиной круглосуточного испарения льда, которое, как температура и влажность, имело суточный ход. Максимальная интенсивность испарения льда 0,9 x 10-2 мм/час наблюдалась в 3-6 часов, а минимальная 0,6 x 10-2 мм/час - в 15 часов. В среднем по всем монолитам получена скорость испарения льда от 0,19 до 0,21 мм/сут, что близко к другим опытным данным [4, 6].

Поскольку холодный воздух тяжелее теплого, в пещерной галерее устанавливалась четкая температурная и скоростная стратификация воздушного потока (рис.1), что обычно усиливает испарение льда у дна галерей пещер, о чем свидетельствует часто наблюдаемое утоньшение сталагмитов у основания. Однако в данном случае усиление скорости ветра в нижней части пещеры не повлияло на интенсивность испарения. Его наибольшая величина отмечалась на уровне 1 м, где температура воздуха и дефицит влажности были выше, чем на уровнях 0,5 и 0,25 м. Мелкие сублимационные кристаллы на потолке галереи свидетельствуют об одновременном процессе конденсации и, следовательно, о существовании в пределах замкнутого пространства постоянного механизма перераспределения влаги и теплоты фазового перехода.

Зависимость отношения интенсивности испарения
Рис.2. Зависимость отношения интенсивности испарения Е, мм/час и дефицита влажности d, Па на уровне испаряющегося монолита льда от скорости ветра U, м/с в условиях пещер. Цифры у точек - количество осредненных данных. 1 - Архангельская область, 2 - Памир.

Визуально процесс испарения льда проявляется в том, что первоначально шероховатая поверхность монолитов примерно через сутки становится гладкой, но округление ребер и углов незначительно. Было замечено также, что диаметр просверленного в монолите от-верстия остается постоянным и, следовательно, испарения льда в нем не происходит [3].

В штольне на Памире монолиты льда подвешивались на высоте 1 м над полом приблизительно в 100 м от входа, где влияние внешних климатических условий почти не ощущалось, колебания средних суточных температуры и влажности воздуха были малы. Температура изменялась от -3,8 до -4,3°С, а абсолютная влажность - от 390 до 410 Па; скорость ветра не превышала 0,1 м/с. Вне штольни температура и влажность воздуха за период наблюдений изменялись соответственно от -2,2 до +8,0°С и от 50 до 490 Па. Большую часть суток влажность воздуха вне полости была менее 390 Па, поэтому в основном происходил вынос влаги из штольни. Отсутствие суточного хода температуры и влажности воздуха определили постоянную интенсивность испарения льда - около 0,05 мм/сут. Это сравнимо с величиной 0,03 мм/сут., полученной экспериментально при отсутствии скорости ветра, температуре -5°С и влажности 300 Па [4].

По данным, осредненным по 19-33 наблюдениям за испарением льда и метеоэлементами, поучена зависимость интенсивности испарения льда в пещерах от дефицита влажности воздуха и скорости ветра, которая оказалась одинаковой для обоих районов (рис.2). Для небольшого интервала изменений влажности и скорости ветра эта зависимость имеет линейный характер [5, 6, 8], но в целом она не линейна [4].

Распределение скорости ветра
Рис.3. Годовой ход абсолютной влажности (1 - метеостанция Пинега, 27 м над ур. моря, 2 - метеостанция Ледник Федченко, 41б9 м над ур. моря) и его соотношение с максимальной абсолютной влаж-ностью (610 Па), при которой возможно испарение льда (а) и уп-ругостью водяного пара в штольне на Памире, равной 460 Па (б).

На основе полученных величин была сделана попытка приблизительно оценить суммарное количество льда, испаряющегося за год в пещерах севера Европейской равнины и на Памире. Продолжительность периода испарения определялась по данным о годовом ходе абсолютной влажности на ближайших к пещерам метеостанциях. За такой период принимался отрезок времени, когда влажность воздуха на метеостанции была меньше, чем максимально возможная упругость водяного пара вблизи поверхности льда в пещере. Для сезонного льда Пинежских пещер эта величина была принята равной 610 Па. Исходя из данных метеостанции Пинега (рис.3), в пещерах Пинего-Кулойского плато испарение со льда происходит в течение б месяцев его существования и, если интенсивность испарения постоянна, его годовая величина составит примерно 35 мм.

В пещерах, расположенных в многолетнемерзлых породах, температура воздуха отрицательна в течение всего года, и лед существует постоянно. Максимальная упругость водяного пара вблизи его поверхности по наблюдениям в Памирской штольне, равна 460 Па.. По данным метеостанции Ледник Федченко, расположенной на 600 м ниже пункта наблюдений, средняя месячная влажность воздуха всегда меньше 460 Па (см. рис. 3), следовательно, испарение со льда в штольне происходит круглогодично. При постоянной интенсивности испарения льда его годовая величина приблизительно составит 20 мм. Эта величина носит оценочный характер, так как в действительности испарение льда происходит неравномерно во времени и в пространстве и зависит от площади оледенения пещер.

В настоящее время доля тепла, затраченного на испарение льда в тепловом балансе пещер, неизвестна. По данным [7], доля тепла, идущая на испарение льда и воды в Кунгурской ледяной пещере на Урале, составляет около 30% расходной части теплового баланса. Очевидно, что в пещерах с сезонным оледенением эта доля невелика, а при постоянном оледенении пещер она имеет больший вес. Максимальной величины она достигает в тепловом балансе пещер в вечной мерзлоте, в которых влияние других климатообразующих процессов подавлено.

Изложенные краткосрочные наблюдения за испарением льда в пещерах показали, что этот процесс зависит от зональных условий климата: влажности и температуры воздуха, температуры карстового массива, а также от локальных факторов - строения пещер и интенсивности их вентиляции. Испарение играет важную роль в тепловом балансе пещер со льдом и требует подробного изучения.


***

Литература

  1. Беляк В.И. Специфика наледеобразования в пещерах южной Сибири. - Проблемы наледеобразования. Зап.Забайк.фил. геогр.об-ва СССР, вып.92, Чита, 1973, с.65-67.
  2. Гвоздецкий Н.А. Карст. М., География, 1954, 352 с.
  3. Дюнин А.К. Испарение снега. Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1961, 118 с.
  4. Ершов Э.Д., Кучуков Э.3., Комаров И.А. Сублимация льда в дисперсных породах. М., Изд-во МГУ, 1975, 224 с.
  5. Кузьмин П.П. К методике исследования и расчета испарения с поверхности снежного покрова. Тр.ГГИ, вып.41 (95), 1953, с.34-52.
  6. Лебедева И.М. Интенсивность испарения с ледников Средней и Центральной Азии (возможности измерений и расчетов). - Материалы Гляциологических Исследований (МГИ), вып.26, 1976, с.119-129.
  7. Лукин В.C. Температурные аномалии в пещерах Предуралья и критическийанализ теорий подземного холода. - Пещеры, вып.5(6). Пермь, 1965, с.164-172.
  8. Материалы наблюдений над испарением с поверхности снежного, покрова в 1963-1975 гг. Л., ГГИ, 1976, 146 с.
  9. Савенко Е,В. Минеральные пленки на ледяных образованиях пещеры Дружба. - Пещеры, вып.16. Пермь, 1976, с.21-24.
  10. Мавлюдов Б.Р. Особенности строения снежно-ледяных накоплений в пропасти Снежной на Западном Кавказе. - МГИ, вып.40, 1981, с.189-193.


Поисковая экспедиция назад оглавление вперед Влияния вращения Земли