В метеорологии под сублимацией водяного пара понимают процесс перехода воды из газообразного состояния в твёрдое, минуя жидкое, т. е. непосредственное осаждение льда из влажного воздуха. В физике и химии термин сублимация имеет обратное значение - испарение твёрдого вещества (синоним - возгонка). В спелеологии принято первое значение термина.

Сублимационные кристаллы льда в пещерах растут точно также как и вне пещер. А происходит это в таком месте, где велика разница влажности между пещерным воздухом и воздухом у поверхности предмета, когда температура воздуха отрицательна, а предмет, на котором растет лёд, имеет температуру ниже точки росы. Другими словами, пещерный воздух соприкасается с породой стен или льдом, становится пересыщенным влагой. Пересыщение столь велико, что влага тут же осаждается на стены, но, поскольку температура стен отрицательная, она выпадает не в виде конденсационной воды, а образует тончайший слой льда. Так возникает пещерная изморозь. В пещерах можно встретить изморозь кристаллическую (наиболее часто встречаемые ажурные кристаллы) и зернистую (снеговидные формы - сталактиты, покровы на стенах и др.).

Кроме пещер, сублимационные кристаллы можно встретить в атмосфере (это обычные снежинки) и в снежной толще. Кроме того, сублимационные кристаллы возникают внутри снега в результате его перекристаллизации. Это рыхлый слой "глубинной изморози" в виде не связанных между собой довольно крупных сублимационных кристаллов. Если такие слои появляются на крутых склонах, то там возникает угроза схода лавины. Сублимационные кристаллы льда наблюдались в пещерах Севера Русской Равнины, Поволжья, Урала, Крыма, Кавказа, Памира, Сибири и Дальнего Востока, а также во многих пещерах мира.

Сублимационные кристаллы обычно появляются в таких местах пещерных галерей и залов, где холодный сухой воздух контактирует с тёплым и влажным воздухом. Обычно это происходит вблизи противотока воздуха в основном пещерном канале, когда холодные воздушные потоки перемещаются вдоль пола, а более тёплые - вдоль свода галерей в обратном направлении. Кристаллы наблюдаются и в местах, где в основную галерею поступает более тёплый воздух из боковых галерей. Кристаллы растут чаще всего на сводах полостей, в углублениях на стенах, в трещинах породы. Сублимационные кристаллы видели также и на сводах полостей внутри пещерного льда (например, в пещере Большой Бузлук в Крыму, в пропасти Снежной на Кавказе) и в трещинах и пещерах горных ледников.

Среди сублимационных кристаллов в пещерах наиболее часты шестигранно-пирамидальные и прямоугольно-призматические. Такую же форму имеет изморозь и вне пещер. Механизм роста сублимационных кристаллов льда до конца не изучен: ещё до конца не ясно, происходит ли сразу образование льда на поверхности растущего кристалла или сначала лёд проходит некоторое квазижидкое состояние.

На формирование пещерной изморози влияют: температура и влажность воздуха, скорость поступления влаги к месту сублимации, а также интенсивность отвода тепла от места кристаллизации.

Температурные условия

Согласно мнению П.А. Шумского (1955), самопроизвольная сублимация льда на пустом месте не происходит. Предполагается, что сначала конденсируется вода, потом она замерзает, а на этих ледяных ядрах начинается сублимация. Пересечение кривых сублимации и конденсации соответствуют температуре -70°С, но если лёд осаждается на родственных ему веществах, то эта точка пересечения смещается в сторону более высоких температур. Смещение этой точки связано и с радиусом частиц, на которых происходит сублимация. На частицах радиусом 10^-6 см сублимация начинается при температуре около -15°С, а на частицах с бесконечно большим радиусом (то есть на плоскости) - при температуре около нуля. В тоже время обнаружено, что сублимация льда при 0°С может идти только вынужденно на поверхности достаточно крупных кристаллов льда и родственных ему веществ. А чем меньше будут кристаллы, тем при более низкой температуре возможна сублимация льда на них.

Е.П. Дорофеев (1969) при изучении пещерной изморози Кунгурской пещеры выделил температурные интервалы для образования разных форм сублимационных кристаллов:

1. листовидная (температура -0,5 - -2,0°С);
2. лотковая (-0,5 - -5,0°С);
3. пирамидальная (-3,0 - 5,0°С);
4. прямоугольная (-5,0 - -7,0°С);
5. игольчатая (столбчатая) (-10,0 - -15,0°С);
6. папоротниковая (-18,0 - -20,0°С).

Оказалось, что при понижении температуры воздуха, поступающего в пещеру, происходит эволюционная смена одних форм кристаллов другими (путём нарастания на предыдущие), а при последующем повышении температуры воздуха - обратная смена форм нарастающих кристаллов (согласно приведенной выше температурной последовательности разновидностей кристаллов).

Однако с ростом сублимационных кристаллов всё обстоит всё же не так просто, поскольку форма кристаллов зависит также и от влажности воздуха. Например, установлено, что дендриты (кустики) льда образуются только тогда, когда пересыщение воздуха влагой превосходит точку насыщения по отношению к воде (а не ко льду) при данной температуре воздуха; а при меньшем пересыщении воздуха влагой образуются кристаллы пластинчатой формы.

В целом, внешняя форма кристаллов сохраняет только те элементы собственной симметрии, которые совпадают с наложенными на него элементами симметрии среды: симметрией поля давления водяного пара, потоков питания к кристаллу, молекулярной теплоемкости, а также направления движения выделяемой и поглощаемой теплоты кристаллизации [23, 39].

Исследователями атмосферного льда на основе наблюдений за естественно и искусственно выращенным льдом предложена суммарная диаграмма, показывающая зависимость формы кристаллов сублимационного льда от температуры воздуха и степени пересыщения воздушного пара (рис. 1) [48]. Неполное совпадение данных Е.П. Дорофеева, приведенных выше, с данными диаграммы, по-видимому, связано как с неполнотой наблюдений в Кунгурской пещере (не измерялась влажность воздуха), так и с недостаточной изученностью пещерной изморози.

Поскольку в пещерах чаще всего встречаются кристаллы пирамидальной и прямоугольной формы, значит условия их роста самые благоприятные для образования кристаллов в пещерах. Рост таких кристаллов происходит при температуре воздуха -3,0 - -7,0°С, то есть как раз такой, которая чаще всего встречается в местах роста сублимационного льда в пещерах в зимнее время.

Рис. 1. Суммарная диаграмма, показывающая облик сублимационных кристаллов льда как функцию температуры воздуха (T,оС) и пересыщения водяного пара по отношению ко льду (S, %) [48]. W - линия, соответствующая давлению водяного пара над переохлажденной водой при данной температуре. Форма кристаллов: 1 - пластинки; 2 - иглы; 3 - полые призмы; 4 - пластинки, разбитые на секторы; 5 - дендриты (ветвистые кристаллы); 6 - толстые пластинки (скелетные); 7 - сплошные очень толстые пластинки; 8 - сплошные призмы; 9 - бокалы.

Лабораторные исследования сублимационного льда также показали, что пик скорости его роста приходится на температуры воздуха около -5,0°С, а при более высоких и более низких температурах скорости роста кристаллов становятся ниже.

Влажность воздуха

Влияние степени пересыщения воздуха влагой на скорость сублимации льда в пещерах изучено ещё недостаточно. Мы привыкли, что влажность воздуха в пещерах всегда близка к 100 %. Однако исследования последних лет показали, что в природе возможна ситуация, когда влажность воздуха достигает 150 % и более. Физически это можно представить себе в виде тумана, когда мельчайшие частички воды плавают в воздухе. При этом можно говорить о пересыщении воздуха влагой. Нетрудно догадаться, что пересыщение воздуха влагой в пещерах при сублимации льда должно быть велико. Рассмотрим такие примеры: в пещере имени Географического Общества СССР на Пинего-Кулойском карстовом плато пересыщение воздуха влагой достигало 3 мб, что соответствует влажности воздуха в 200 % (март 1982 г.), в пещере Большая Голубинская (там же) - 4 мб и 300 % (март 1982 г.), в Кунгурской пещере - до 4 мб (февраль 1985 г.). Как было определено это пересыщение, ведь обычные приборы не могут его зафиксировать? Результаты получены расчётным путём. Делалось это так. Тёплый воздух поступает в промороженную полость. Измеряем влажность тёплого воздуха и влажность холодного. Сравниваем обе влажности. Превышение влажности тёплого воздуха над влажностью холодного и есть пересыщение воздуха влагой. В действительности степень пересыщения будет несколько ниже, так как при смешении тёплого и холодного воздуха образуется смесь с промежуточной температурой и влажностью. Однако эта ошибка невелика, поскольку в большинстве случаев подтоки тёплого воздуха в пещерах значительно слабее основных потоков холодного воздуха.

Пересыщение воздуха влагой вглубь полостей, как правило, уменьшается. Поэтому наибольшие по площади и объёму скопления сублимационных кристаллов льда расположены вблизи входов в пещеры.

В зависимости от степени пересыщения воздуха влагой, так же как и от его температуры, зависит форма сублимационных кристаллов (рис. 1). Если принять температуру притекающего из бокового хода потока воздуха равной 0°С, то чем ниже будет температура воздуха в основном канале полости, тем больше будет пересыщение воздуха влагой. Однако, чем больше будет пересыщение, тем больше выделится тепла при сублимации льда, что отрицательно скажется на росте кристаллов. Чтобы учесть это выделившиеся тепло, пользуются понятием реальной эквивалентной температуры воздуха (Кузьмин П.П., 1961):

T_рэт = T + 1,75(е - е_п) (1),

где T_рэт - реальная эквивалентная температура воздуха; T - температура воздуха в пещере; е_п - влажность у поверхности льда; е - влажность более тёплого воздуха. Согласно этой формуле, рост сублимационных кристаллов льда будет идти тогда, когда T_рэт < 0, т.е. когда Т<1,75(е - е_п). По этому неравенству можно оценить температуру воздуха, необходимую для сублимации льда при разном пересыщении воздуха. Так, при пересыщении воздуха в 1 миллибар температура воздуха должна быть ниже -1,75°С, в 2 мб - -3,5°С, в 4 мб - -7°С, что в действительности и выполняется.

Величина слоя пара в воздухе также сильно влияет как на массу образующегося в пещере сублимационного льда, а также на форму его скоплений. Выяснено, что развиваются преимущественно те кристаллы, направление наибольшей скорости роста которых не выходит за пределы переохлажденного слоя пара. Чем тоньше этот слой, тем больше пассивное ориентирующее влияние основания и наоборот - вплоть до полного отсутствия ориентирующего влияния в условиях равномерного пересыщения значительной толщи пара. Потому хорошо ограненные кристаллы изморози растут в спокойных условиях при слобом движении воздуха. Например, в штольнях Памира на абсолютной высоте около 4600 м в условиях зала растут скелетные кристаллы пирамидальной формы до 15 см в поперечнике, а в полузасыпанной штольне, где слой влажного воздуха расположен под потолком, образуются сферические формы разных диаметров, состоящие из сростков густо расположенных пластин, игл, дендритов.

Ветровые условия

Ветровые условия образования пещерной изморози еще не изучены. Наблюдения в пещерах показывают, что наибольшие по массе скопления изморози приурочены к участкам полостей с движением воздуха. Это связано с тем, что ветер уносит тепло, выделяющееся при сублимации. При этом кристаллы будут быстрее расти в тех точках, где выделяющееся тепло уходит быстрее всего, и которые будут располагаться на кристаллах там, где радиус кривизны наименьший (кривизна наибольшая). Кривизна же наибольшая - на концах дендритов, ребрах или гранях кристаллов.

Во время экспериментов выяснилось, что из углов гексагональной ледяной пластинки при обдувании её воздушным потоком со скоростью ветра около 10 см/с за нескольких секунд выросли ажурные кристаллы в виде веточек. Но на концах веточек появились пластинчатые расширения, когда воздушный поток был выключен.

Влияние субстрата

Влияние субстрата на сублимацию льда изучено плохо. Сублимация идет на поверхности горных пород (известняки, гипсы, льды и др.), на поверхности металлов, цемента и дерева. Наблюдения показывают, что сублимационные кристаллы не растут на поверхности поливинилхлоридной пленки, капроновой леске. Возможно, это связано с тем, что поверхность этих веществ является несмачиваемой для воды.

Место в сечении галерей

По наблюдениям известно, что в наклонных нисходящих пещерах максимум сублимации может быть сдвинут к границе раздела холодного и теплого потоков воздуха, что было показано при исследовании сублимации на нитях - затравках в Аракаевской пещере на Урале (Рыжков А.Ф. и др., 1990). В Кунгурской пещере максимум сублимации сдвинут к своду галерей (гроты Бриллиантовый и Полярный). По-видимому, положение максимума сублимации зависит от толщины и температуры более теплого потока воздуха в пещерном канале. Во времени максимум объёма сублимационного льда приурочен к периоду минимальных температур воздуха во входных частях пещер или несколько позже него. В Кунгурской пещере это февраль - март.

При изменении условий в пещере (резкое похолодание вне пещеры) всё сечение пещерной галереи может быть занято потоком сухого холодного воздуха, что приведет к прекращению сублимации и началу испарения сублиматов. Поскольку изморозь растет с расширением от основания, то наиболее уязвимы для испарения (и таяния) именно места прикрепления кристаллов к своду. Поэтому часто в пещерах наблюдается осыпание кристаллов в период похолоданий (пещера Кунгурская, пещера им. ГО СССР и др.).

Рост кристаллов

После замерзания капель конденсата на стенах начинают развиваться те зародыши кристаллов, ориентировка которых направлена в сторону с наиболее благоприятными условиями роста. Выдвигаясь вперед, они затрудняют питание остальным кристаллам (перехватывают потоки влаги), задерживают их рост и могут совершенно "заклинить" их.

Отметим, что у поверхности растущего кристалла никогда не бывает равномерного пересыщения воздушного пара, которое на углах и ребрах всегда выше, чем в середине граней. Поэтому при небольших пересыщениях пара образуются столбчатые кристаллы (диффузия к плоскости), при повышенном пересыщении образуются пластинки (диффузия к рёбрам), а при дальнейшем увеличении пересыщения возникают дендриты-звездочки (диффузия к вершинам).

При равномерном и незначительном пересыщении влаги кристаллы растут плоскими - благодаря перемещению вещества по поверхности кристалла. Но при возрастании пересыщения различие в интенсивности питания выступов и средних частей граней уже не может компенсироваться перераспределением вещества по поверхности. Ребра и вершины начинают расти быстрее граней и сплошной рост сменяется скелетным. Вместо плоской грани кристалла возникает воронка.

Рис.2. Примеры скелетных кристаллов пластинчатой и пирамидальной формы (снежинки).

Однако в пещерах поступление влаги к кристаллам происходит не равномерно с разных сторон, как это бывает в облаке, а только с одной стороны. Поэтому скелетные кристаллы часто имеют форму полых пирамид, обращенных вершиной вбок или вниз, а также лотков, состоящих из 2-3 граней (неполная пирамида). Все дефекты формы скелетного кристалла связаны с условиями и интенсивностью прихода вещества к конкретным граням кристалла. Этим же объясняется и образование завитков на некоторых пирамидальных кристаллах.

Время существования сублимационного льда

Сублимационные кристаллы льда - это, как правило, сезонные образования, которые чаще всего исчезают весной или в начале лета. Но в благоприятных частях пещер (тупиковые ходы, западины, трещины, погребённые пустоты, где температура стен в течения лета остается отрицательной) изморозь может сохраняться на протяжении всего тёплого периода года и перелетовывает. Но чаще всего к следующему периоду сублимации красталлы значительно обтаивают и озерняются под действием тёплого воздуха. Вне зоны вечной мерзлоты многолетние кристаллы изморози наблюдались в пещерах: Кунгурской, Аскинской, Киндерлинской на Урале, в пещерах Дальнего Востока; в зоне вечной мерзлоты: в пещере Путников на Памире, Урунгайской в Прибайкалье, Вилюйских пещерах. В Кунгурской пещере, там, где летом сублимационные кристаллы озерняются под воздействием теплого воздуха, образуются скопления льда на стенах и своде с довольно большой плотностью.

Осыпающиеся со сводов сублимационные кристаллы могут участвовать в образовании метаморфического льда на полу пещеры. Примером этого могут служить скопления фирнового льда на полу Бриллиантового и Полярного гротов Кунгурской пещеры.

Интенсивность накопления изморози

В большинстве случаев исследования изморози пещер носят качественный характер. Оценок скорости роста изморози в пещерах почти нет. Для Аракаевской пещеры на Урале удалось оценить скорость сублимации на единицу площади свода её основного зала (Рыжков А.Ф. и др., 1990), которая оказалась равной 0,2 кг/м² в сутки (или около 2 г/см² за зиму). В этих расчетах принято, что скорость сублимации постоянна в течение зимы, что позволило интерполировать двухнедельные измерения.

Наши наблюдения в Бриллиантовом гроте Кунгурской пещеры в феврале 1985 г. и апреле 1986 г. показали, что скорость сублимации непостоянна во времени, как непостоянно во времени пересыщение воздуха влагой, и зависит от градиента влажности воздуха и скорости ветра. Наблюдения проводились путем взвешивания ледяного монолита, подвешенного на капроновой леске у свода на выходе потока более теплого воздуха из бокового хода (так называемого Телячьего Ходка). Наблюдения в течение 29 часов в 1985 г. показали, что суммарная сублимация на монолит за этот период составила 1,42 г, что соответствует интенсивности сублимации около 0,17 мм/сутки в слое воды или 7x10^-4 г/см2час льда (1,7 г/ см² за зиму). Измерения в апреле 1986 г. показали, что скорость сублимации льда в это время была близка к нулю.

Летняя сублимация льда

В Кунгурской пещере наблюдается летняя сублимация льда, которая идёт в гораздо меньшем объёме, чем зимой, так как обуславливается только тем холодом, который запасли толщи пород и льда за зимний цикл охлаждения пещеры. При этом образуются небольшие пластинчатые кристаллы льда (до 5 мм в поперечнике по наблюдениям в августе-сентябре 1985 г.). Они растут в соответствии со штриховкой Фореля ледяного кристалла основания, то есть каждая пластинка сублимационного кристалла является как бы продолжением одной из базисных плоскостей ледяного кристалла субстрата. Поскольку в субстрате у каждого кристалла льда ориентировка базисных плоскостей различна, то при освещении ледяной стены под определенным углом по разному наклону растущих на нём сублимационных кристаллов (а значит и по разному отражению света) хорошо отбиваются границы кристаллов субстрата и ориентация базисных плоскостей кристаллов. Наблюдения за ориентацией летних сублимационных кристаллов позволяют проводить специальные исследования кристаллов субстрата без применения приборов и отбора образцов. На такую возможность указывал еще П.А. Шумский (1955).

Как видно из приведенных выше данных, механика образования сублимационных кристаллов в пещерах в общих чертах ясна, чего нельзя сказать о динамике процесса сублимации льда, для выяснения которой необходимо проведение дополнительных исследований.

Общий анализ интенсивности накопления снежно-ледяных образований в пещерах показывает, что она наибольшая при образовании осадочных льдов - до 300 г/см²год, интенсивность накопления конжеляционных льдов в отдельных полостях может достигать 50 г/см²год и более, а сублимационных льдов - около 2 г/см²год. При этом накопление осадочных льдов непосредственно отражает изменчивость накопления внешних твердых осадков; накопление конжеляционных льдов в пещерах связано с внешними осадками опосредованно, через грунтовые воды, которые в значительной части формируются за счёт атмосферных осадков. Образование сублимационных льдов связи с внешними атмосферными осадками не имеет, а скорее зависит от температуры и влажности воздуха.

Для сублимационных льдов выяснено, что наибольшие по объему скопления отмечены в пещерах средней полосы и на севере, где преобладают продолжительные холодные зимы. В то же время в горах максимальное количество сублимационного льда в полостях отмечается в высокогорье (Памир, 4600 м), где также суровые зимы, а в пещерах районов с мягкими зимами (Крым, Кавказ) сублимационного льда накапливается немного.

Поскольку рост сублимационных кристаллов льда в пещерах четко ограничен рамками температуры и влажности воздуха, то форма любого сублимационного кристалла является отражением тех условий, которые сопровождали его рост. Поэтому по форме кристалла можно определять те условия, в которых он вырос.

Список литературы

1. Гляциологический словарь. - Под ред. В.М. Котлякова, Л.: ГИМИЗ, 1984. - 528 С.
2. Дорофеев Е.П. Ледяные кристаллы Кунгурской пещеры// Пещеры. - Пермь, 1969, - Вып. 7. - С.
3. Заморский А.Д. Атмосферный лед. Иней, гололед, снег и град. - М.-Л.: Из-во АН СССР, 1955. - 377 С.
4. Кузьмин П.П. Процесс таяния снежного покрова. - Л.:ГИМИЗ, 1961. - 345 С.
5. Рыжков А.Ф., Лобанов Ю.Е., Мамаев Ю.М. Формирование температурных аномалий и образование атмогенного льда в уральских пещерах в карбонатных отложениях//Проблемы геометеорологии и аккумуляции зимнего холода. - Свердловск, 1990. - С. 25-28.
6. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. - М.: Из-во АН СССР, 1955. - 492 С.
7. Mason B.J. Snow crystals, natural and man made// Contemporary Physics. - 1992, v. 33, n. 4. - P. 227-243.

Загадка Пинежского метеорита

Спелеологическая изученность