Идея проведения эксперимента зародилась где-то в конце 2005 года, во время одной из дискуссий в "русскоязычной" рассылке SpeleoInfo. Обсуждалась "аэрозольная гипотеза" происхождения кристаллов вторичного гипса в пещерах Подолии. И встал вопрос о том, имеет ли место в этих пещерах процесс испарения воды. Ведь все знают, что в глубине большой пещеры влажность воздуха очень близка к 100%, что исключает возможность существования испарения. Но мнения разделились, поскольку, вроде бы, не раз отмечалось, что в ПБЛах мокрые вещи все-таки немного подсыхают. В общем, выяснилось, что толком никто ничего не знает, что микроклиматические наблюдения в подольских лабиринтах делались "еще при царе Горохе", и даже данные о средней температуре очень сильно отличаются в разных источниках. И как-то спонтанно возникла идея проверить на практике сам факт наличия испарения в пещере Озерная в зимний период. Ну, а чтобы было с чем сравнивать, было выдвинуто предложение "параллельно" провести аналогичный эксперимент в пещерах Пинеги, а именно – в одной из Кулогорских пещер. Так возникла конкретная договоренность между двумя авторами данной статьи.

"Северный эксперимент"

Было решено установить пластиковые "емкости испарения" в пещере Водная как по пути следования основных воздушных потоков с поверхности (точки наблюдения №№ 1, 2, 4, 5, 6, 7 и 8), так и в тупиковых ходах (ТН №№ 3 и 9). Емкости были расставлены 12 января 2006 года участниками экспедиции школьного турклуба "Звездный". В каждую емкость, в пещере, непосредственно на месте расположения ТН, с помощью мензурки было налито 150 мл обычной пресной воды из озера. Всего, таким образом, было оборудовано 9 точек наблюдения за интенсивностью испарения (Рис. 1).

Во время следующей экспедиции "Лабиринта", по прошествии почти 7 недель непрерывного нахождения "емкостей испарения" в реальных условиях зимней пещеры, 22 февраля 2006 года, эксперимент был завершен измерением остаточного количества воды на каждой точке наблюдения. Следует сразу сказать, что результаты превзошли наши ожидания: уменьшение начального количества воды было отмечено абсолютно во всех емкостях. Причем диапазон этих изменений располагался в пределах от 9 до 100%!

Надо отметить, что 8 из 9 емкостей за время эксперимента оказались в зоне отрицательных температур (Таб. 1), что, естественно, привело к превращению воды в лед. Что, впрочем, ничуть не помешало ей полностью испариться на ТН №5, и почти полностью – на ТН №4 и ТН №6. Анализ ситуации с учетом знания конкретной микроклиматической обстановки на каждой из ТН показывает, что наиболее интенсивно процесс испарения протекает в местах с высокой скоростью воздухообмена, причем – без определяющего влияния значений температуры проходящего воздуха. Определяющими факторами здесь являются дефицит влагонасыщения воздуха и скорость воздухообмена. Обе эти составляющие имеют весьма переменчивый характер, обусловленный целым рядом факторов, среди которых весьма важными являются изменения хода метеоэлементов на поверхности. Другими словами, интенсивность воздухообмена и процессов испарения воды в пещере в значительной степени зависит от погоды на поверхности земли. Еще одним очень важным фактором здесь является воздушная проницаемость карстового массива, на которую в наших условиях влияет как состояние уровней воды в обводненных ходах (закрытые или открытые сифоны), так и мощность и структура снежного покрова в карстовых воронках (например, наличие плотного наста или ледяных прослоев).

Результаты эксперимента по измерению фактической испаряемости воды в пещере Водная (январь-февраль 2006 г.)

Рис. 1. Схема расположения "емкостей испарения" в пещере Водная. Для лучшего понимания происходящих процессов точки наблюдения за интенсивностью испарения располагались возле стационарных точек температурных наблюдений (СТТ).

Исходя из полученных данных (Таб. 1), можно получить некую численную характеристику интенсивности процессов испарения в данной пещере, выраженную в принятых в метеорологии "миллиметрах водяного слоя" (Рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма средней суточной интенсивности испарения воды в пещере Водная в период с 12 января по 22 февраля 2006 года.

Кроме измерения количества оставшейся в емкостях воды, нами были проведены некоторые визуальные наблюдения общей обстановки в пещере применительно к изучаемому вопросу. Обойдя всю пещеру, мы отметили, что основные воздушные потоки, двигаясь от входа в отдаленные части пещеры, оставляют на своем пути очень заметный след, который можно назвать "полосой испарения".

Эта "полоса" обычно занимает всю ширину ходов и особенно заметна на глине в зоне отрицательных температур. Возгонка льда из замерзших водно-механических отложений оставляет видимый и ощущаемый след на их поверхности – высохшие отложения (глина, алеврит, песок) приобретает более светлый оттенок, к ним возвращается характерное для сухих материалов свойство сыпучести. Это особенно заметно, если от хода, по которому движется холодный воздушный поток, отходят тупиковые ответвления – в тупиках даже замерзшая глина сохраняет обычный более темный оттенок (также там наблюдаются характерные морозобойные трещины с ледяным заполнителем). Благодаря процессу "осветления" водно-механических отложений в процессе их сублимационной сушки, в залах пещер можно отследить путь прохождения основного вентиляционного потока с поверхности (например, это хорошо видно в Лагерном зале пещеры Водная, а также в зале Белое Безмолвие пещеры Кулогорская-2).

Рис. 3. Так выглядели остатки воды на ТН №4 и ТН №6 в пещере Водная.

Кроме того, имеющийся у нас встроенный в мультиметр психрометр показал (хоть и не очень точно, но достаточно наглядно), что на всем протяжении пути от входа до самого Мычковского Канала воздушный поток сохраняет дефицит влажности. Так, относительная влажность воздуха в привходовой части составляла 68%, а после прохождения 300 м по пещере – 81%. При этом температура его возросла от -5,5°C до +2,1°C. Эти изменения характеристик воздушной массы свидетельствуют о том, что:

1. По мере продвижения в глубину пещеры поверхностный воздух постепенно нагревается от стен полости.
2. Его абсолютная влажность увеличивается за счет испарения воды и льда, встречающихся на пути в свободном (водоемы, ледяные образования) или "частично связанном" (влажные стены и рыхлые отложения) состоянии.
3. На всем пути воздушного потока идет процесс испарения воды, находящейся как в жидком, так и твердом агрегатном состоянии.

Пожалуй, наиболее неожиданным для нас оказалось то, что пришедший с поверхности воздух так долго не достигает полного насыщения водяными парами. Стало ясно, что в зимнее время влияние наружного атмосферного воздуха на микроклимат пещеры распространяется гораздо глубже, чем это нам прежде представлялось. В частности, в пещере Водная зимой, видимо, вообще не существует так называемой "зоны постоянных температур" - в любой ее части как-то сказывается холодное дыхание наружной атмосферы. То же самое, видимо, можно сказать и о влажности воздуха.

Приведенные факты заставляют нас пересмотреть прежние представления о существовании "трех климатических зон" во многих наших пещерах. Чтобы получить более полную и объективную картину распределения температур и влажности воздуха в каждой из Кулогорских пещер, нам потребуются более широкомасштабные исследования, включающие в себя микроклиматический мониторинг по всей их площади, включая использование специальных даталоггеров.

После получения столь интересных результатов, было решено провести такой же эксперимент в летний сезон, когда направление движения воздушных потоков меняется на противоположное.

Летом 2006 года в Кулогорских пещерах имела место весьма редкая гидрологическая ситуация, какой еще не бывало, как минимум, за весь период наших наблюдений (с 1975 года). После чрезвычайно, если не рекордно, низкой зимней межени почти не было затопления пещер в период весеннего паводка. Вода поднялась, но не затопила ходы пещеры в наиболее "ходимом" нами высотном интервале. Что привело к весьма интересным гидрологическим и микроклиматическим последствиям.

1. Паводковый подъем уровней воды в подземных озерах лишь немного притопил пещеры, оставив сухими ходы "основного" уровня. Не сформировались на этом уровне и временные потоки паводковой волны, промывающие каждую весну Кулогорские пещеры. Весенняя паводковая вода играет важную роль теплоносителя, прогревающего ближние части пещер, переохлажденные в зимний период. В этом году вода не прогрела промороженные стены. Ее тепла даже не хватило на то, чтобы прогреть их в зоне подтопления. Поэтому вода просто замерзла, образовав массивные наледи и ледяные пробки даже в некоторых ходах. Тем самым перекрыв нам доступ в некоторые части пещеры, как минимум, до следующего весеннего паводка.

2. Пещеры остались промороженными на сотни метров. В ближних частях пещер отрицательные температуры господствовали до конца августа и, весьма вероятно, до новых холодов. Обычно же на этих участках к осени температуры бывают уже чуть выше нуля – несколько десятых градуса, и лишь в небольших, плохо вентилируемых тупиках -тепловых ловушках- могут сохраняться отрицательные температуры – чуть ниже нуля. Такая обстановка дала нам возможность наблюдать, например:

• сухую гипсовую муку, оставшуюся на месте испарившихся ледяных натеков, которая обычно смывается весенним паводком;
• растущие в изобилии ледяные сталактиты и сталагмиты летней генерации, а также "зимние" сталагмиты, обрамленные ледяными "воротничками" на уровне паводкового максимума;
• сплошной ледяной покров на дне подвешенных мелких озер;
• массовый рост летних сублимационных кристаллов на ледяных натеках, а также на любых других промороженных поверхностях;
• обширные участки, покрытые совершенно сухими водно-механическими отложениями, высушенными в зимний период (такого летом не бывает никогда!);
• постепенное медленное наступление тепла из глубины пещеры на переохлажденную зону в условиях воздушной циркуляции по "летнему типу".

3. Был проведен эксперимент по "испаряемости" в двух пещерах – Водной и Кулогорской-1. Результат получился не вполне корректный, но интересный.

В Водной "емкости испарения были расставлены на тех же точках, что и зимой. Но методика немного отличалась. А именно, мы наливали в каждую емкость по 100 мл воды не в пещере, на точке наблюдения, как это было зимой, а на базе, перед выходом. Круглые и плоские полиэтиленовые баночки из-под рыбных консервов герметично закрываются крышками, поэтому мы и пошли таким путем. Но он, как выяснилось, оказался неверным. После почти 4-недельного нахождения емкостей на точках -местах они были сняты, закрыты крышками и вынесены на базу, где объемы жидкости были измерены с помощью медицинского шприца. Вот результаты по точкам наблюдения в пещере Водная:

Пещера Водная

Без пояснений по каждой точке трудно что-то понять, но можно сказать, что видимые небольшие "водопотери", вероятнее всего, связаны не с испарением воды, а с ее потерями во время транспортировки в пещеру и из пещеры. Эта уверенность базируется на том, что в переохлажденной зоне на замерзшей воде в плошках выросли сублимационные кристаллы, а там, где температуры были чуть выше 0°С, на внешних стенках плошек был хорошо виден конденсат. (Смотри емкость №1 – количество воды превысило начальное, потому что поверхность льда в плошке была густо покрыта сублимационными кристалликами). Кристаллы там обильно росли и по стенам ходов, поэтому испарения явно не могло быть. В другой раз следует наливать воду на месте, как это делалось зимой. И там же измерять конечный ее объем.

Рис. 4. Летний рост сублимационного льда на выступающих частях рельефа пола в зоне отрицательных температур пещеры Кулогорская-1. Август 2004 г.

В общем, летний эксперимент прошел не вполне корректно, но наши наблюдения всей обстановки в пещерах позволяют с уверенностью сказать, что испарения летом не происходит, а конденсация (и сублимация) наблюдается, практически, на тех же самых точках, где зимой все очень интенсивно испарялось. Прежде всего, потому, что здесь температуры стен значительно ниже температуры полностью насыщенного влагой воздуха, приходящего из глубины пещеры.

Для "закрепления успеха", а точнее – для проверки достоверности результатов зимы 2006 года, было решено повторить "зимний эксперимент" зимой 2007 года. Причем, на этот раз мы решили оборудовать "емкостями испарения" не одну, а целых 3 пещеры: Кулогорскую-1, Трою (от нижнего входа) и Водную.

Емкости расставлялись по пещерам в "новогоднюю" экспедицию "Лабиринта", начавшуюся 30 декабря 2006 года. В пещере Кулогорская-1 было оборудовано 6 ТН, а в Трое и Водной – по 7 ТН с "емкостями испарения". Естественно, что в Водной емкости устанавливались там же, где и в прошлом году. Везде, во всех, пещерах ТН были возле СТТ, на которых измерялись температуры воздуха и стен.

Еще одной особенностью этого эксперимента было то, что на каждой ТН устанавливалось по 2 емкости, одну из которых предполагалось снять всего через 2 недели - к концу экспедиции, а вторую оставить на полтора-два месяца. Это делалось для более точного определения скоростей испарения воды на наиболее "обдуваемых" точках наблюдения.

Следует отметить, что зима 2006-2007 гг. отличалась своей экстраординарностью. Так, на Пинеге в ноябре случился осенний паводок, по своим уровням приближающийся к весеннему. В это время растаял весь выпавший осенью снег. Но мало того – после небольшого морозно-снежного периода, в декабре началась новая продолжительная оттепель, вызвавшая новый, декабрьский, (зимний!) паводок на Пинеге и, соответственно в пещерах. Кроме экстремально высоких для зимы уровней в подземных озерах, оттепель нарушила порядок вентилирования пещер – механизм зимней циркуляции никак не мог установиться из-за высоких температур наружного воздуха, и ближние части пещер к началу января практически не охладились до обычных отрицательных температур. Отрицательные температуры все же наблюдались на отдельных участках – благодаря "пещерной микроклиматической аномалии" лета 2006 года (см. выше). Но это были остатки "прошлогоднего" холода.

Другими словами, в январе мы в наших пещерах имели совершенно атипичную климатическую ситуацию: почти полное отсутствие "нормальной" циркуляции воздуха, плюс повсеместная интенсивная капель, обусловленная снеготаянием на поверхности плато. Все это негативно сказалось на "краткосрочном" эксперименте: за 2 недели экспедиции многие емкости просто залило капелью, а остальные показали полное отсутствие процесса испарения. Из-за чего мы от этого эксперимента не получили ожидаемого результата.

Но во второй половине января и феврале в Пинеге все же установилась нормальная зимняя погода, благодаря чему оставшиеся в пещерах емкости показали совершенно замечательные результаты, полностью подтвердившие прошлогодние.

Ниже, в таблицах 3-5, приведены данные по всем ТН во всех трех пещерах. Стоит обратить внимание на ТН №№ 4-6 в пещере Водная (Таб. 3) – на них вновь, как и в прошлом году, испарилось наибольшее количество воды.

Кроме того, вызывает интерес относительно слабая испаряемость воды в Трое (Таб. 5), что объясняется, на наш взгляд, меньшей интенсивностью воздухообмена в этой пещере, обусловленной отсутствием возможности воздушного сообщения с ее дальними частями в силу закрытости сифонов Сифонного Участка (высокие уровни воды). Представляется, что в марте, когда эти сифоны открываются, возрастает интенсивность воздушной циркуляции (образуется устойчивый воздушный поток, соединяющий нижний вход пещеры с Колодцем), и, соответственно, усиливается процесс испарения воды в ближней части пещеры. Но данное предположение еще требует проверки.

Эксперимент зимы 2007 года.
Площадь емкости испарения – 95 кв. см
Начальный объем воды – 100 куб.см

Проведенные нами эксперименты убедительно показали существование механизма зимнего "осушения" значительных по протяженности частей северных пещер за счет испарения воды, содержащейся как в открытых подземных водоемах, так и в порах водно-механических отложений. Не менее интенсивно идет "сухая возгонка" ледяных образований любого генезиса, оказавшихся на пути холодного воздушного потока, пришедшего с поверхности.

Не вызывает также сомнения то, что в летний период в наших пещерах не происходит испарения воды. Напротив, в переохлажденной зоне пещер, вблизи входов, наблюдаются процессы конденсации и даже роста сублимационных ледяных кристаллов на всех поверхностях, имеющих более низкую, чем приходящий из глубины массива воздух, температуру.

Полученные в результате описанных экспериментов данные еще будут подвержены дальнейшей обработке вместе с данными микроклиматических наблюдений.

"Южный эксперимент"

Сходный по методике эксперимент проводился в пещере Озерная (Борщовский р-н, Тернопольская обл., Украина) с начала января 2006 г. по начало марта 2007 г.

Цель: выяснение возможности роста вторичных гипсовых кристаллических образований в условиях пещеры за счет испарения воды из насыщенных сульфатных растворов.

Методика: пробу воды объемом 50 мл помещали в емкость из пищевого полипропилена объемом 350мл, площадь испаряющей поверхности составляла около 0,005 м² (диаметр зеркала воды 80 мм). Воду для эксперимента брали из пещерных озер. Объем воды определяли при помощи мерного цилиндра с точностью до 0,5 мл. Точки для размещения проб выбирались таким образом, чтобы максимально охватить все разнообразие пещерных условий. Схема размещения точек проведения измерений на плане пещеры представлена на Рис. 6. Время экспозиции проб воды - около 1 года (с начала января 2006 г. по начало января 2007 г.). Кроме того, в начале января, начале февраля и начале марта 2007 г., т.е. с интервалом в 1 месяц, температуру и влажность контролировали при помощи аспирационных психрометров типа ВИТ-1 с точностью до 0,1°С.

Результаты и обсуждение: как следует из представленных в Таб. 6. результатов, в половине случаев объем воды в течение года вообще не изменился, что свидетельствует о постоянном равновесном значении относительной влажности, близком к 100%. В пробе № 1, помимо остатков воды, обнаружен и небольшой твердый осадок, соответствующий по составу крошке материнской породы. Этот результат объяснить трудно, он нуждается в подтверждении. Пробы №№ 5 и 6 оказались переполнены, что явилось индикатором существования стабильных во времени "водокапов" - сезонных капельных источников инфильтрационных вод. Следует также отметить, что пленочная влага способствует формированию отдельных более крупных кристаллов и агрегатов в тех районах и участках стен, где условия благоприятны для роста кристаллических образований (Рис. 5).

Рис. 5. Скопления кристаллов вторичного гипса на стене пещеры. Пещера Озерная. Подолия. Фото – В. Удовиченко.

Вместе с тем, только сама по себе пленочная влага не является достаточным условием для роста кристаллов, как это видно в месте размещения пробы 3.

Помимо проб воды на испаряемость, была предпринята попытка контроля климатических параметров при помощи аспирационных психрометров, результаты которой представлены в Таб. 2. Как видно из этих данных, температура в различных районах пещеры исключительно стабильна и не связана с сезоном, и только во Входном зале наблюдаются небольшие колебания. Одинаковая температура сухого и увлажненного термометров во всех случаях также подтверждает значение относительной влажности в 100%, хотя аспирационный психрометр и не обеспечивает приемлемой точности показаний при скорости воздушного потока менее 0,1 м/с и значениях относительной влажности свыше 90%.

Рис. 6. Схема размещения проб воды и гигрометров ВИТ-1 на плане пещеры.

Перспективы: на основании полученных результатов все последующие пробы воды планируется размещать только в наиболее сухих участках пещеры. Кроме того, для этого планируется использовать дистиллированную воду и определять изменение ее минерализации в ходе эксперимента.

Новые виды исследований

Определение макс. скоростей