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.
 |
 |
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.
 |
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.
 |
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].
 |
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
- 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.
- Гвоздецкий Н.А. Карст. М., География, 1954, 352 с.
- Дюнин А.К. Испарение снега. Новосибирск, Изд-во СО АН СССР, 1961, 118 с.
- Ершов Э.Д., Кучуков Э.3., Комаров И.А. Сублимация льда в дисперсных породах. М., Изд-во МГУ,
1975, 224 с.
- Кузьмин П.П. К методике исследования и расчета испарения с поверхности снежного покрова. Тр.ГГИ,
вып.41 (95), 1953, с.34-52.
- 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.
- Лукин В.C. Температурные аномалии в пещерах Предуралья и критическийанализ теорий подземного
холода. - Пещеры, вып.5(6). Пермь, 1965, с.164-172.
- Материалы наблюдений над испарением с поверхности снежного, покрова в 1963-1975 гг. Л., ГГИ,
1976, 146 с.
- Савенко Е,В. Минеральные пленки на ледяных образованиях пещеры Дружба. - Пещеры, вып.16. Пермь,
1976, с.21-24.
- Мавлюдов Б.Р. Особенности строения снежно-ледяных накоплений в пропасти Снежной на Западном
Кавказе. - МГИ, вып.40, 1981, с.189-193.
Поисковая экспедиция |
 |
 |
 |
Влияния вращения Земли |
|