Пещеры описываемого района являются преимущественно горизонтальными полостями, промытыми подземными водами в толще гипсового массива, пронизанной большим количеством трещин и вертикальных водопроводящих каналов. Значительная интенсивность поверхностного выщелачивания и последующая разработка поглощающих поноров микроводосбора улучшают циркуляцию воздуха по системе трещин за счет создания органных труб, оказывающих в сравнении с трещинами минимальное сопротивление воздушному потоку. Глубина залегания подземных полостей в массиве, как правило, невелика (10-25 м), что облегчает их непосредственное сообщение с поверхностью при обрушении кровли пещер, когда нередко дно провальных воронок оказывается на уровне сводов полости.

Отмеченные особенности условий циркуляции воздуха внутри карстующегося гипсового массива тесно связаны со специфическими чертами микроклимата пещер Пинежья. К ним в первую очередь надо отнести резкий контраст микроклимата подземных полостей и погоды на поверхности.

Пинежский район, в пещерах которого проводились микроклиматические наблюдения, относится к северной климатической области. Суровый климат в этой зоне в основном формируется в условиях малого количества солнечной радиации, воздействия северных морей и интенсивного западно-восточного переноса. Поступление теплого морского воздуха с атлантическими циклонами и частые вторжения арктического воздуха Северного Ледовитого океана придают погоде большую неустойчивость, резкую изменчивость давления, скорости и направления ветра, температуры воздуха.

С наступлением весны начинается интенсивное таяние снега, воды поглощаются карстовыми трещинами и понорами. Весенние снеговые воды, растворяя гипсовые стены, свод и пол пещер, стекают в реки. Основное питание рек района – снеговое, его доля составляет свыше 50% годового стока. Для рек этого района характерно высокое весеннее половодье длительностью до двух месяцев. Летом возможны ночные заморозки на почве, в то же время днем температура воздуха может достигать 30°С. Большая суточная амплитуда температуры воздуха сильно изменяет термический режим привходовой зоны пещеры, что предопределяет интенсивную циркуляцию воздуха в полости. В сентябре и октябре температура воздуха может достигать от -10° до -27° соответственно и уже в этот период температура воздуха в полости значительно выше наружного воздуха, что и определяет затекание холодного воздуха и раннее промораживание пещеры. Снежный покров и отрицательные температуры воздуха устанавливаются уже со второй половины октября, и с этого момента поступление воды в полость с поверхности через вертикальные трещины прекращается.

Максимальные температуры воздуха в зимний период могут достигать 2-5°, в то же время при вторжении арктических масс и дальнейшем радиационном выхолаживании температура опускается ниже -20°, в отдельные годы она достигает -48°. При таких низких температурах создается особенно интенсивная циркуляция воздуха в подземных полостях.

Указанные климатические условия оказывают определяющее влияние на микроклимат подземных полостей, обусловливая характер распределения температуры по ходу пещер, направление и интенсивность циркуляции в зависимости от времени года.

Как видно из рис. 4.16, влажность воздуха в пещерах остается неизменно высокой и близкой к насыщению независимо от колебаний влажности воздуха вне пещер. Температура воздуха пещер испытывает значительные сезонные изменения и резко отличается (на 20-40°) от температуры воздуха на поверхности (рис. 4.16). Для большинства гипсовых пещер описываемого района характерны отрицательные температурные аномалии (Лукин, 1965, б), т.е. наличие зон в пещерах, где среднегодовая температура является более низкой, чем среднегодовая температура воздуха вне пещер.

Рис. 4.16. Сезонные изменения средних многолетних величин относительной (1) и абсолюной (2) влажности, осадков (3) и температуры воздуха (4) в сравнении с измеренными в пещерах максимальной (5) и минимальной (6) температурой воздуха и абсолютной влажностью (7).

В этих зонах отрицательные температуры отмечаются в течение всего года, вследствие чего происходит образование и накопление пещерного льда. Из общего числа обследованных пещер 43 полости являются ледяными.

Вопрос о причинах появления отрицательных температурных аномалий в пещерах неоднократно обсуждался в литературе, начиная с XVIII-XIX вв., однако до настоящего времени не существует единства взглядов в этом отношении. Ограниченные данные о микроклимате ледяных пещер (Листов, 1885; Альтберг, 1930, 1931) не позволяют выявить определяющие факторы из большого числа возможных источников пещерного холода. Лишь в самое последнее время В.С. Лукиным (1965 б) было указано на существование отрицательных температурных аномалий в гипсово-ангидритовых пещерах Предуралья, предпринята попытка количественного подхода к анализу проблемы, а также составлен тепловой баланс для Кунгурской пещеры. Однако приводимый автором балансовый расчет не может быть обобщен ни в количественном, ни в качественном отношении, поскольку конкретные числовые соотношения, взятые для одного периода года, не характеризуют сезонного баланса и могут значительно изменяться в течение всего года. Решение вопроса может быть получено только на основе построения соответствующей математической модели микроклимата пещер и ее проверки и уточнения при сопоставлении с данными систематических измерений.

Рассмотрим условия, определяющие направление и скорость воздушного потока в горизонтальной полости, схематично представленной прямым туннелем постоянного поперечного сечения, который соединен с поверхностью массива системой вертикальных трещин (рис. 4.17). Для упрощения задачи сосредоточим трещины, вентилирующие полость, в конце горизонтального туннеля. Согласно существующим представлениям (Максимович, 1963), в пещерах такого типа происходит интенсивная циркуляция воздуха, поток которого сезонно меняет свое направление и скорость.

Рис. 4.17. Схема к расчету термического режима горизонтальной полости.

В связи с тем, что среднегодовая температура массива (для широты пос. Пинеги около +2°С) в зимнее время значительно выше температуры наружного воздуха (-15-30°), последний, затекая в пещеру, нагревается и по системе трещин устремляется вверх, вызывая компенсирующее движение холодного воздуха через входное отверстие внутрь пещеры. В летний период в результате охлаждения теплого наружного воздуха (+15+30°) под землей формируется воздушный поток обратного направления, выходящий из пещеры.

Рассмотрим циркуляцию воздуха в зимний период. Если учесть, что сезонное изменение температуры наружного воздуха (рис. 4.16) происходит с относительной малой скоростью (в среднем около 0,2°/сутки), то можно рассмотреть установившийся режим циркуляции воздуха в системе пещера – вентилирующие трещины (рис. 4.17) при условно неизменных внешних температурных условиях. Уравнение Бернулли для воздушного потока в сечениях I-I и II-II при истечении в свободную атмосферу имеет вид, представленный формулой (1). Далее в тексте нумерация математических выражений соответствует списку формул, приведенному на рис. 4.17. Из уравнения (1) непосредственно следует выражение (2) для скорости потока в зоне вертикальных трещин, которое позволяет на основе условия неразрывности потока (3), с учетом различной температуры воздуха, поступающего в пещеру и выходящего из массива, получить соотношение, описывающее скорость воздушного потока в горизонтальном пещерном туннеле.

Аналогичны образом может быть выведена формула (4) для летнего периода циркуляции.

Таким образом, интенсивность и направление воздушного потока в горизонтальной полости определяются величиной и знаком разности температур наружного воздуха и потока, выходящего из массива. В тот период, когда эти температуры становятся равными между собой (весна, осень), циркуляция воздуха прекращается, так как исчезает сила, формирующая направленный воздушный поток.

Температура воздуха, покидающего пещеру, зависит от морфологии полости и условий теплообмена воздушного потока с массивом, в связи с чем проявляется обратное влияние циркуляции воздуха: чем выше скорость потока, чем больше воздуха проходит через пещеру, тем меньше изменение температуры воздуха, что отрицательно влияет на интенсивность циркуляции. Таким образом, климатический режим полости формируется в условиях динамической устойчивости, когда малые изменения параметров компенсируются за счет обратной связи, вследствие чего процесс теплообмена и воздушной циркуляции легко стабилизируется. Многочисленные наблюдения в пещерах подтверждают этот вывод и свидетельствуют о том, что суточные колебания температуры наружного воздуха весьма несущественно отражаются на установившемся в этот период года режиме теплообмена и вентиляции полости (рис. 4.18). Отмеченная особенность позволяет в каждый момент времени рассматривать режим вентиляции как квазистатический и обосновывает допущения, принятые при выводе формул (2-4).

Рис. 4.18. Суточный ход скорости воздушного потока (а), относительной влажности (б) и температуры воздуха и воды (в) в различных точках и по высоте (г) входного отверстия Ленинградской пещеры (август 1967 г.).

Проделаем расчет скорости воздушного потока для пещеры, в которой значения температур, входящие в формулы (2-4), были измерены непосредственно. При расчете гидравлического сопротивления системы пещера – вентилирующие трещины необходимо учесть потери напора при входе и выходе потока из массива, его расширение (сжатие) и повороте на 90°, а также боковое трение на горизонтальном (вертикальном) участках пути. Задаваясь необходимыми геометрическими характеристиками Ленинградской пещеры и используя температурные данные, полученные при измерениях в августе 1967 г. (рис. 4.18, г), получим расчетное значение скорости воздушного потока в пещерном туннеле 0,62 м/сек. Измеренное значение (рис. 4.18, а) в среднем составляет 0,6-0,7 м/сек., что находится в хорошем согласии с рассчитанной величиной.

Интересно отметить, что Ю. Листов (1885), перечисляя необходимые условия образования пещер-ледников, указывал, что массив осадочных пород должен представлять "гору значительной высоты". На тоже обстоятельство указывает и В.С. Лукин (1965, б), выделяя в качестве важнейшего условия "значительную (до 50-100 м) мощность зоны аэрации". В.С. Лукин также отметил такой фактор, как "разница температур (воздуха под землей. – В.Г.) в сравнении с атмосферой". В приведенных формулах (2-4) эти факторы учитываются непосредственно, входя в подкоренное выражение.

Полученные выражения (2-4) соответствуют условиям, когда поток воздуха, выходящего из пещеры, непрерывно рассеивается в окружающей среде и, таким образом, разность температур, вызывающая циркуляцию воздуха, непрерывно сохраняется. Однако такие условия создаются далеко не всегда. Нагретый воздух, выходящий из трещин массива в зимнее время, легко удаляется, поднимаясь вверх вследствие разности удельных весов с окружающим холодным воздухом. Напротив, в летнее время холодный воздух, вытекающий из пещер, накапливается, как более тяжелый, возле выходного отверстия, находящегося всегда у дна долины. При этом, если скапливающийся холодный воздух медленно прогревается, уменьшается разность температур, являющейся движущей силой циркуляции воздуха в массиве, и вентиляция полости ослабляется. Таким образом, формулы (2-4) дают предельную величину скорости воздушного потока, если в них подставлять значение температуры наружного воздуха, измеренное вне зоны влияния пещеры. Действительная скорость воздуха в пещере может быть получена лишь с учетом температуры наружного воздуха в припещерной зоне.

При выводе соотношений (2-4) предполагалось, что температура воздушного потока на выходе из массива известна. Рассмотрим метод расчета этой величины на основе анализа теплообмена воздушного потока с вмещающим массивом.

Уровень теплового баланса (5) для некоторого выделенного в потоке объема воздуха, обменивающегося теплом с массивом по закону Ньютона, может быть проинтегрировано, если известна зависимость температуры стенки воздушного канала от времени.

Воспользуемся решением задачи о теплообмене полуограниченного массива при граничных условиях III рода (Лыков, 1967). Взяв асимптотическое выражение температуры поверхности массива при достаточно больших значениях времени, получим искомую разность температур воздушного потока и стенки канала в уравнении (5) в виде соотношения (6), в котором время отсчитывается с момента начала прогрева массива.

Описываемый установившийся режим воздушной циркуляции достигает при неизменных температурных условиях за время, значительно (на два порядка) превышающее время прохождения выделенного объема воздуха через пещеру (0,5-1 час). При этом знаменатель выражения (6) остается для любого участка воздушного потока практически постоянной величиной.

Непосредственные измерения температуры воздуха и стен в различных участках пещер (рис. 4.20) показывают, что в согласии с формулой (6) разность температур воздуха и стен остается приблизительно постоянной (0,6-0,8° в Голубинском провале на протяжении 600 м магистрального туннеля) при существенном изменении температуры воздуха (от -1 до +3°С) и стен. Величина этой разности по формуле (6) для условий Голубинского провала составляет 0,68°, что хорошо согласуется с результатами измерений.

Учитывая отмеченную особенность теплообмена, после подстановки выражения (6) в уравнение (5) и интегрирования приходим к соотношению (7), описывающему изменение температуры воздушного потока, поступающего в пещеру в зимний период через входное отверстие, по длине пещерного туннеля. Приведенная формула (7) получена после упрощения полученного строгого соотношения путем разложения экспоненциальной функции в ряд и оставления первого члена ряда ввиду малости аргумента.

Температура воздуха, прошедшего горизонтальный пещерный туннель и систему вертикальных трещин и покидающего массив, приближенно описывается формулой (8), получаемой путем линейной комбинации выражений типа (7) для горизонтального и вертикального участков воздушного тракта.

Таким образом, температура воздуха, выходящего из массива, не остается неизменной во времени и уменьшается по мере промерзания стен пещерного туннеля в зимний период, что в свою очередь сказывается на величине скорости воздушного потока (см. формулу 2). Совместное решение уравнений (3) и (8) позволяет независимым путем находить скорость и температуру воздуха в горизонтальной полости. Не выписывая получающиеся при этом сложные формулы, отметим лишь, что в них скорость воздушного потока и его температура на выходе из массива весьма медленно изменяются с течением времени вследствие стабилизирующегося взаимного влияния обоих параметров, отмеченного выше.

Как следует из формулы (7), температура воздуха в пещерном туннеле линейно изменяется с расстоянием, что вполне подтверждается данными измерений в различных пещерах Пинежья (рис. 4.19-4.20). Особенно отчетливо эта особенность проявляется в зимний период, когда наблюдается значительное изменение температуры воздуха в пещерном туннеле.

Рис. 4.19. Изменение температуры воздуха в основном ходе пещер. а - Кулогорская (К-1), б - Кулогорская (К-2), в - Голубинский провал, г - Малая Голубинская, д - Водная (К-4).

Рис. 4.20. Распределение температуры воздуха (а), воды, стен и пола (б) по основному ходу Ленинградской пещеры. А - граница распространения сталагмитов.

Рассчитаем изменение температуры воздушного потока на примере Малой Голубинской пещеры. Согласно выполненным измерениям, скорость воздушного потока в январе 1968 г. во входном сечении была равна 1,3 м/сек., что в пересчете на поперечное сечение пещерного хода составляет 0,5 м/сек. В соответствии с формулой (7) расчетное повышение температуры воздуха на 1 м хода равно 0,15° или 23° на 150 м туннеля. Измеренное непосредственно повышение температуры наружного воздуха составило (рис. 4.19, в) 20° или 0,13° на 1 м хода, что вполне удовлетворительно согласуется с расчетом.

Таким образом, в результате анализа режима воздушной вентиляции и теплообмена в горизонтальных пещерах получены выражения, дающие количественную связь основных факторов, определяющих интенсивность рассматриваемых процессов. Успешное подтверждение расчетных данных при сопоставлении с результатами прямых измерений во многих пещерах Пинежья свидетельствует о справедливости исходных предпосылок, положенных в основу при разработке термогидравлической модели горизонтальной подземной полости, основные качественные черты которой был впервые указаны Ю. Листовым (1885) и развиты позднее В.С. Лукиным (1965 б). Система полученных формул позволяет дать анализ проблемы возникновения отрицательных температурных аномалий в пещерах и пещерного льда. Как показывают предварительные расчеты, наиболее важной особенностью теплообмена при циркуляции воздуха в массиве является пространственное разделение зон аккумуляции зимнего холода (пещерный туннель) и летнего тепла (вертикальные трещины). Вследствие этого, а также резкого различия поперечного сечения воздушных каналов в этих зонах практически не происходит тепловое взаимодействие соответствующих участков вмещающего массива, в результате чего не наступает взаимная сезонная компенсация термического режима, и год за годом происходит их дальнейшая поляризация, приводящая к формированию пещерного льда (в начальном участке пещерного туннеля).

Распределение температур по ходу пещеры, общие черты которого анализировались выше, имеет в разных пещерах ряд специфических особенностей, выявляющихся при рассмотрении кривых, представленных на рис. 4.19 и 4.20.

Важной сезонной особенностью этих термических кривых является относительная равномерность распределения температур в летний период и резкие контрасты тепла и холода в зимний период. Эта черта легко усматривается также на термогистограммах ряда пещер (рис. 4.21). В летний период частотная кривая является относительно симметричной с небольшим рассеянием относительно центра группирования (средней температуры полости). В зимний и иногда осенний период происходит сдвиг частотной кривой в область низких температур в основном за счет асимметрического смещения нижней границы, при этом в ряде случаев верхняя граница смещается незначительно или совсем не сдвигается. Эти особенности удается легко объяснить на основе разработанной математической модели термического режима пещеры. В летний период, когда теплый наружный воздух через систему вертикальных трещин поступает в полость, он легко отдает избыточное тепло стенкам массива еще в трещинах. Расчеты и прямые измерения (рис. 4.19; 4.20) показывают, что температура воздуха в наиболее удаленных от входа участках различных пещер в летнее время не превышает +3 +4° при температуре наружного воздуха +26°. Дальнейшее охлаждение воздуха при движении к выходу происходит медленно, поскольку разность температур, определяющая интенсивность теплообмена, очень незначительная. По этой причине градиент температур воздуха в летнее время по ходу пещеры составляет относительно малую величину (0,1-0,5)х10^-2 гард/м. По той же причине термический режим пещер, расположенных в различных частях района и имеющих разную морфологию, отличается удивительным единообразием. В августе 1967 г. средняя температура воздуха по данным измерений более чем в 10 пещерах составляла около +1° с незначительными колебаниями (±0,5 град.).

Рис. 4.21. Термогистограммы пещер Водной (а) и Ленинградской (б).

В зимний период холодный воздух поступает непосредственно в пещеру через входное отверстие и вследствие этого интенсивно охлаждает стены полости. Проникновение холодного потока в глубь пещеры самым существенным образом связано с размерами и морфологией полости, вследствие чего термические кривые зимнего периода (рис. 4.19, 4.20) обнаруживают закономерные индивидуальные различия. Так, градиент температуры воздуха по ходу пещеры в январе 1968 г. имел небольшую величину в Малой Голубинской пещере (13х10^-2 град/м) по сравнению с другими из исследованных полостей туннельного типа (около 5-8х10^-2 град/м) вследствие малого приведенного радиуса хода, обусловливающего интенсивный прогрев воздуха – см. (7). В осенний период с устойчивыми отрицательными температурами (осень 1968 г.) градиент температур по ходу пещер составлял величину (2,5-4,0)х10^-2 град/м.

Термические кривые зимнего периода позволяют обнаружить важную особенность изменения температуры воздушного потока по ходу пещеры: монотонное повышение температуры потока в пещерном туннеле сменяется участками почти постоянной температуры при расширении ходов в большие залы. Это характерно, например, для пещер Ленинградской (рис. 4.20), Кулогорской (4.19) и объясняется резким увеличением поперечного сечения хода, вследствие чего возрастает приведенный радиус пещерного туннеля в формуле (7) и соответственно уменьшается перепад температур в направлении потока, так как уменьшается удельная теплоотводящая поверхность канала на единицу объема проходящего воздуха. Уменьшение скорости воздушного потока компенсируется увеличением поперечного сечения потока, так что расход воздуха в знаменателе формулы (7) не изменяется.

Сопоставляя между собой термические кривые, снятые в одной пещере в различное время года, можно выделить три зоны, резко отличающиеся между собой по амплитуде годового хода температуры и уровню среднегодовой температуры. Привходовая зона пещеры протяженностью 50-100 м от входа имеет наибольшую годовую амплитуду температуры воздуха (от 40 до 20°) со средним уровнем, значительно отличающимся от среднегодовой температуры воздуха для данной местности. В этой зоне наибольших отрицательных температурных аномалий аккумулируется основная часть холода, приносимого зимой потоком морозного воздуха. Колебания температуры наружного воздуха в этот период незамедлительно сказываются на термическом режиме привходовой зоны пещеры, о чем свидетельствуют неоднократные измерения, выполнявшиеся после резкого изменения погоды на поверхности (рис. 4.19). Это обстоятельство необходимо учитывать при анализе хода термических кривых в начальном участке полости. Так, понижение температуры воздуха от входа до п. 4 в пещере Водной, обнаруженное 5 ноября 1968 г., объясняется значительным потеплением до 0° после длительных морозов, достигавших -12° в предшествующие дни.

Прогрев привходовой зоны начинается с марта месяца в связи с уменьшением морозов, однако при этом соответственно снижается скорость воздушного потока. Изменения направления потока на обратное резко ухудшает условия прогрева привходовой зоны, так как из глубины пещеры сюда приходит воздух, отдавший свое исходное тепло при движении по ходу пещеры. Поэтому входной участок и в летнее время остается наиболее холодной зоной полости, сохраняющей до конца лета холод, аккумулированный в осенние и зимние месяцы (с ноября по февраль), когда температура стен в пещере выше наружной. Поэтому в период положительных температур наружного воздуха (с мая по сентябрь) изменение температуры в привходовой зоне весьма незначительно и вследствие этого годовая амплитуда определяется в основном изменением температуры наружного воздуха в период с сентября по март. Аналогичный режим характерен для всех тех участков пещер, которые непосредственно сообщаются через трещины или колодцы с поверхностью, если воздушный режим полости таков, что данное отверстие работает как приточное в зимний период. Эти особенности обнаруживаются на термических кривых пещер Ленинградской (рис. 4.20), где имеется колодец у п. 107, и Зимней сказки (П-4), в которой обвальные залы в дальней части пещеры (п. 9-11) через расселены между гипсовыми блоками, по-видимому, сообщаются с поверхностью.

Вторая зона пещеры, наибольшая по протяженности, является зоной умеренных годовых колебаний температуры, амплитуда которых составляет от 5 до 20° со среднегодовой температурой в пределах малых отрицательных аномалий. Именно в этой зоне заключена область нулевой температуры, смещающаяся в зависимости от времени года к внешней или внутренней границам зоны. Особенностью этой зоны в отличие от привходовой является то, что ее режим в значительной мере определяется как зимним, так и летним воздушным потоком, хотя влияние первого является преобладающим. Наконец, наиболее удаленная от входа часть пещеры находится в условиях, когда годовая амплитуда температур воздуха минимальна (0-5°) и средняя температура воздуха весьма незначительно отличается от среднегодовой для данной местности. Однако это относительное постоянство температуры не следует рассматривать как статическую изотермичность, обусловленную полным затуханием сезонных колебаний температуры воздуха, происходящих на поверхности, а скорее как вырождение динамического термического режима в той части полости, куда воздушный поток достигает, имея уже небольшой запас исходного тепла (холода), израсходованного на нагрев (охлаждение) стен пройденного участка подземной системы (трещины, пещерный ход).

Понижение температуры наружного воздуха в конце лета – начале осени не отражается заметно на температуре воздушного потока, поступающего в полость через трещины, так как вызывает лишь соответствующее охлаждение трещиной зоны массива. Более того, поступающий в трещины воздух начинает прогреваться теплом, аккумулированным на летние месяцы, и переносит это тепло в глубь массива и далее в пещеру, где температура стен значительно ниже. Поэтому наибольшая за год температура воздуха в дальней части пещеры соответствует тому периоду осени, когда температура наружного воздуха еще не опускается заметно ниже 3-5° и сохраняется летнее направление воздушного потока.

Измерения, проведенные в начале ноября 1967 г., в период необычно теплой осени с максимальными температурами воздуха +7+8° и минимальными 0,9-3,5°, показали почти повсеместное потепление в пещерах (рис. 4.19, 4.20) по сравнению с августом того же года, когда минимальная наружная температура оставалась на уровне 6-12°, а максимальная достигала 18-27°. Наиболее заметное увеличение температуры отмечено в дальних участках пещер. Влияние зимнего и летнего воздушных потоков в дальней части пещеры относительно равнозначно и определяется морфологией соответствующих участков.

Значительный интерес представляет анализ направления и величины сезонных тепловых потоков в различных участках пещер. В холодный период года, когда температура наружного воздуха, поступающего в полость, значительно ниже температуры стен пещеры, устанавливается поток тепла от стен полости. В пещерах с постоянным водотоком, вытекающим из полости, зимой создается противоток воздуха и воды, причем в этот период поток воды представляет среду с наиболее высокой температурой (табл. 5). В теплый период года, начиная с мая месяца, происходит прогрев стен полости воздухом, имеющим более высокую температуру. Независимо от того, какова температура воздуха в той или иной части пещеры, насколько она больше или меньше среднегодовой температуры массива, возникает односторонний тепловой поток к стенам полости, вызывающий охлаждение воздуха. Вода, протекающая по пещере, очень быстро приходит в тепловое равновесие с массивом вследствие высокого значения коэффициента теплоотдачи 500-700 ккал/м² час•град.

В Ленинградской пещере подземный поток с расходом 0,12 м³/сек. на протяжении около 1300 м своего пути практически имеет одну и ту же температуру (3,7-3,8°) в то время как температура воздуха меняется от 3-4 до 0° (август 1967 г.).

В табл. 5 приведены результаты измерений в пещере Голубинский Провал вблизи входного колодца, где в течение всего года сохраняется отрицательная температура.

Эти данные подтверждают сказанное и позволяют оценить величину и направление тепловых потоков в различное время года.

Температуры воздуха и породы, измеряемые в различных точках по сечению пещерного хода, различаются между собой весьма существенно. В Голубинском провале в высоком зале у п. 6 было зафиксировано распределение температуры воздуха (табл. 6) с перепадом температур по высоте в 11° (зимой).

С учетом этого обстоятельства методика температурной съемки предусматривала определение температуры воздуха на постоянной высоте в средней части хода на уровне 5-10 см от основания хода.

Как показывает анализ полученных данных, в различных боковых нишах и узких щелях, где возможно застаивание воздуха, отмечается летом более низкая температура (на 1-1,5°), чем в основном ходе. Во всех случаях температура воздуха в сечении зала и хода устанавливается по высоте, что свидетельствует о гравитационном разделении холодных и теплых слоев воздуха. Это разделение в свою очередь усиливает неравномерность охлаждения сводов и пола, так как холодный воздух, собирающийся в основании хода, предохраняет пол пещеры от перегрева летом и усиленно охлаждает его зимой. В то же время теплый воздух, подымающийся вверх, интенсивно прогревает своды летом и замедляет их промерзание зимой. Неравномерное распределение температур по сечению хода определяет, по-видимому, различную скорость перемещения теплых и холодных слоев воздуха. Более медленное движение тяжелого холодного воздуха по полу вызывает усиленное охлаждение его летом, что способствует увеличению перепада температур по высоте хода.

Таким образом, температурное поле воздушного потока и окружающего массива является неравномерным как в направлении хода пещеры, так и в поперечном направлении.

Описанные особенности термического режима и вентиляции пещер весьма тесно связаны с характером их оледенения. Наиболее распространены в Пинежских пещерах следующие виды ледяных образований:
а) ледяные кристаллы, покрывающие потолки, стены и пол пещер, а также заполняющие полости между гипсовыми глыбами и натечным льдом;
б) натечный лед в форме сталактитов и сталагмитов, ледопадов и колонн самого различного размера – от нескольких миллиметров до 1-2 м в диаметре;
в) покровный лед, оставленный паводковыми и снеговыми водами, сезонно затопляющими ряд пещер;
г) кора оледенения на стенах пещер;
д) кристаллы льда глинистых отложений, выпавшие в виде тонких пластин при замерзании водонасыщенного глинистого осадка.

Ледяные кристаллы, обильно заполняющие пещеры, в основном распространены в привходовых залах пещер, где образуют обширные колонии, покрывающие сплошным слоем в 30-50 см поверхность пещеры. Ледяные кристаллы в большом количестве образуются зимой непосредственно во входном сечении пещер. Образование и рост ледяных кристаллов происходит в начале зимы, когда затекание холодного воздуха по полу привходовой зоны пещеры вызывает резкое пересыщение влажного воздуха у сводов, сопровождающееся сублимацией. В связи с описанным ранее распределением температур по высоте ходов высоко расположенные слои теплого воздуха, насыщенные при положительных температурах, имеют наибольшее избыточное содержание водяных паров и дают обильный кристаллический осадок. С понижением высоты количество и размер кристаллов уменьшаются. Мелкие кристаллы (до 0,5-1 мм) встречаются на большом удалении от входа. В Голубинском провале нулевая изотерма, проходящая летом на расстоянии около 200 м от входа, четко прослеживается по границе распространения мельчайших кристалликов на стенах туннеля. Количество кристаллов и их размеры в некоторых пещерах заметно изменяются в течение года. Например, большие скопления крупных кристаллов (рис. 4.22) Кулогорской пещеры почти исчезают к лету. Залы пещер, трещины и ниши, находящиеся в стороне от активного воздушного потока, сохраняют свой вид в течение всего года.

Рис. 4.22. Ледяные кристаллы Кулогорской пещеры (зима 1967 г.) Фото А.И. Терещенко.

Рис. 4.23. Натечные ледяные образования Кулогорской пещеры (зима 1967 г.). Фото А.И. Терещенко.

Натечные образования (капельники) в зимнее время распространены в пещерах очень широко (рис. 4.23). Сталактиты обычно представлены тонкими заостренными сосульками длиной до 3-5 м, приуроченными к трещинам в потолке. В большом количестве встречаются сталагмиты, образующие закругленные, сверху уплощенные образования высотой до 1 м, диаметром до 10-15 см. Формирование сталагмитов становится возможным в том случае, когда нулевая граница в сечении хода занимает промежуточное положение между полом и потолком. При этом через трещины в потолке попадает вода с поверхности массива, которая в виде капежа падает вниз и замерзает на полу пещеры (рис. 4.24). Высота сталагмитов и их прозрачность соответствуют положению нулевой изотермы по высоте хода: чем больше переохлаждение, при котором образуется лед, тем меньше размер кристалликов и меньше прозрачность льда. При малом переохлаждении, когда вершина сталагмита находится вблизи нулевой границы, происходит последовательное нарастание крупных зерен льда, границы которого обладают хорошей прозрачностью. Когда нулевая граница температуры воздуха достигает сводов, становится возможным рост сталактитов с потолка пещеры. В зависимости от интенсивности подачи воды через трещины и условий охлаждения сводов воздушным потоком в зимний период формируются сталактиты определенной длины. Перемерзание трещин в потолке пещеры прекращает рост сталагмитов. Таким образом, взаимное расположение нулевых изотерм на уровне пола и потолка пещеры обусловливает протяженность зон образования сталактитов и сталагмитов в пещере.

Рис. 4.24. Схема развития натечных ледяных образований. 1 - потолочная трещина, 2 - гипс, 3 - ледяные сталактиты, 4 - ледяные сталагмиты, 5 - ледяные кристаллы, 6 - капеж. АА - расположение нулевой изотермы.

В Ленинградской пещере в феврале 1967 г. было показано, что граница ледяных образований расположена в зоне п. 42-43, где проходила нулевая граница (рис. 4.24), отмеченная на уровне пола. В зоне от п. 29 до п. 43 по ходу наблюдалась капель со сводов, большое количество сталагмитов, размер (высота 0,8-1 м) и форма которых дали название залу – Пингвинов (п. 32-38). По-видимому, у п. 29 нулевая изотерма достигает потолка (температура воздуха у пола – 3°), поскольку капеж прекращается. В зоне от входа до п. 29 рост ледяных образований в период наблюдений не происходил.

Анализ частоты кривых (рис. 4.21) показывает, что участок пещеры, имеющий нулевую температуру, как правило, выделяется среди других своей значительной протяженностью. Это замечание, естественно, не относится к тем случаям, когда в пещере отсутствуют зоны с нулевой температурой (лето, осень 1967 г. в пещере Ленинградской, осень 1968 г. в пещере Водной и т.д.). В пределах нулевой температурной зоны происходит кристаллизация или плавление льда, сопровождающиеся тепловым эффектом (положительным или отрицательным). В зимний период происходит перемещение нулевой зоны в глубь пещеры, причем теплота кристаллизации, выделяющаяся при образовании льда, поглощается холодным воздухом, достигающим нижней температурной границы нулевой зоны. Область, в которой теплота кристаллизации успевает рассеиваться в воздухе, вызывая его прогрев до 0°, является зоной нулевой температуры.

В пещере Зимняя сказка неоднократно было отмечено интересное явление (рис. 4.25): мощная ледяная колонна, расположенная летом у п. 4 (1966-1968 гг.), исчезает совершенно к зиме (1967-1968 гг.), что не совпадает с общим сезонным изменением ледяных натечных образований (рост зимой, таяние весной). Подобные аномалии времен года в Пинежских пещерах упоминает акад. А.И. Шренк (1855). Пещера Зимняя сказка расположена в невысоком (около 8 м) обнажении коренного берега р. Пинеги и вследствие этого легко сообщается с поверхностью через систему коротких и широких трещин. Весной, в период общего потепления и таяния снега, талые воды поступают через трещины в полость, аккумулирующую большое количество холода за зиму, и замерзают, образуя натечную колонну. Последующее постепенное потепление в пещере в летний период происходит, как уже отмечалось, медленно, так что в августе месяце можно видеть начинающую обтаивать ледяную колонну диаметром 0,7 м. К осени пещера прогревается до положительных температур и колонна полностью растаивает. Измерения скорости воздушного потока у входа в пещеру Зимняя сказка косвенно подтверждают эти соображения, так как показывают более высокие скорости (до 2 м/сек.) чем в других пещерах, что возможно при малом гидравлическом сопротивлении ходов и особенно трещинной зоны.

Обычно для Пинежских пещер является несколько иная сезонность ледяных образований, обусловленная значительно большей протяженностью трещин, через которые вода поступает в полость, образуя ледяные натеки в течение всего периода, пока пещера промерзает до низких температур. Весной прогрев трещин и появление капежа в пещере затягиваются во времени и совпадают с общим повышением температуры в полости, вследствие чего льда не образуется.

Паводковые и талые воды, попадающие в полость в апреле-мае, покрываются льдом. После спада уровня воды в реке и понижения уровня грунтовых вод этот лед остается в пещере, имея, в зависимости от толщины и прочности, вид тонких заберегов (закраин) или сплошной корки, перекрывающей залы и коридоры. Ледяное зеркало, достаточно прочное, чтобы не обрушиться под собственным весом, может также образоваться в пещере, частично заполненной водой, при резком понижении температуры воздуха снаружи и соответственно в самой полости. В результате даже достаточно тонкая корка льда (2-4 мм), как это было обнаружено в пещере Зимняя сказка, может образовать зеркальный свод в коридоре шириной более 1 м (рис. 4.25). Обычно медленное понижение уровня воды приводит к постепенному прогибу пластин льда, прикрепленных закраинами к стенам полости, следствие достаточно высокой пластичности, присущей кристаллам при температуре затвердения. Оказываясь в воздухе, корки льда охлаждаются ниже 0°С и становятся прочными и хрупкими, вследствие чего откалываются в средней части, оставляя на стенах причудливо изогнутые вниз закраины (ход у п. 5, 6 в Голубинском провале, хода в пещере им. Леонида Земляка, зал Спелеологов в Кулогорской пещере и т.д.).

Рис. 4.25. Схема затопления пещер в береговых обрывах р. Пинеги в период весеннего паводка. а - изменение уровня воды в реке по средним многолетним данным, б - вертикальный разрез пещеры Зимняя сказка.

Глубокое зимнее промерзание коридоров пещер приводит к тому, что вода, заполняющая ходы, кристаллизуется не только на поверхности, но и от дна, образуя крупные игольчатые кристаллы, постепенно прорастающие в объеме мелких водоемов в неглубоких понижениях пола донный лед или сплошной слой льда, достигающий в ряде пещер большой толщины. Летнее потепление воздуха в полости иногда вызывает поверхностное таяние льда, вследствие чего донный лед покрывается слоем воды до 0,5 м глубиной (таковы многие ходы в Пинежской пещере и пещерах лога Городище).

Условия циркуляции воздуха в зоне, примыкающей к входным отверстиям пещер, оказывают существенное влияние на термический режим полости и характер циркуляции воздуха в ней. Чем интенсивнее рассеивается холодный поток, выходящий из пещеры в летнее время, тем интенсивнее циркуляция воздуха в полости, как было показано выше. В свою очередь, потоки воздуха и воды из пещеры имеют температуру, значительно отличающуюся от окружающей, и потому весьма заметно влияют на микроклимат припещерной зоны особенно в летний период. В связи с этим было предпринято обследование участков местности, примыкающей к входным отверстиям пещер.

Для пещер Пинежского района характерно два вида входных отверстий. Наиболее часто вход в полость располагается в основании высокого гипсового обрыва на уровне дна долины, являющегося местным базисом эрозии для пещерного потока, разработавшего полость. Таковы входы в большинстве пещер, найденных в береговых обнажениях рек Пинеги и Сотки. Припещерная зона вблизи входов этих пещер находится в условиях интенсивной циркуляции воздуха и солнечной радиации, порождающей конвективное движение воздуха. Второй тип входных отверстий представлен вертикальными понорами, разработанными по трещинам нисходящими потоками воды (Балуновский провал, вход №2 в Ленинградской пещере), провальными воронками и кольцами в местах обрушения кровли подземных полостей (Голубинский провал, пещеры на Святом ручье, в Железном логу и т.д.). В этих условиях циркуляция воздуха оказывается подавленной в летний период и солнечная радиация оказывает весьма незначительное влияние. В зимний период воздействие пещер на микроклимат припещерной зоны вблизи входных отверстий становится незначительным, вследствие приточного характера циркуляции воздуха и определяется локальным прогревом участка долины, по которому протекают ручьи, выходящие из пещер.

Как показывают проведенные измерения, в узких долинах, воронках и входных колодцах пещер (рис. 4.26, а, г, ж) по мере снижения от верхнего края долины происходит интенсивное уменьшение температуры (повышение влажности), что вызывается застаиванием воздуха на дне долин (колодцев) и охлаждением воздуха, находящегося в контакте с холодными стенами привходовой части пещеры. Обломочный материал, скапливающийся в виде осыпей у основания обрывов и на дне карстовых логов, является активным поглотителем зимнего холода вследствие чрезвычайно развитой поверхности контакта с воздухом. В связи с этим в летний период на дне воронок, ложбин и других понижений рельефа, обнаруживается резкое понижение температуры воздуха (рис. 4.26 ж), и нередко отмечаются лед и снег, сохраняющиеся на протяжении лета так же, как в привходовых частях подземных полостей. Размеры зоны, на которую термический режим пещер оказывает свое влияние, для входных отверстий данного типа определяются границами собственно подземной полости и связанных с нею отрицательных форм рельефа и потому это влияние четко локализовано.

Рис. 4.26. Изменение температуры (числитель) и влажности (знаменатель) воздуха по высоте входных колодцев (а, г) и береговых склонов (б, в, д, е) вблизи пещер. а - Голубинский провал, б - Малая Голубинская, в - Зимняя сказка, г, д, е - Ленинградская, ж - на Святом ручье. 1 - температура воздуха, 2 - температура воды.

Измерения температуры и влажности воздуха по высоте береговых обрывов, в основании которых расположены входы в пещеры (рис. 4.26, б, в, д, е) показывают, что на дне долины вне зоны влияния пещеры воздух имеет параметры, незначительно отличающиеся от показателей у верхнего края обнажения, за исключением узкой береговой черты, при этом определенное влияние оказывает экспозиция склона. Пещеры, имеющие входное отверстие на дне широких долин, распространяют свое термическое влияние на весьма обширную зону, простирающуюся вдоль русла пещерного ручья, вытекающего из полости, а также в направлении действия воздушного факела, в летний период выходящего из пещеры.

Поток воздуха непосредственно вблизи входного отверстия имеет вид концентрированной струи, в пределах которой сохраняется практически постоянная температура, характерная для турбулентного ядра потока, и лишь в узком пограничном слое его увеличивается до температуры окружающей среды (рис. 4.18 г). Турбулентный характер потока характеризуется высокими значениями числа Рейнольдса: для воздушного факела, изображенного на рис. 4.27, оно превышает 4х10⁴, что значительно больше критической величины перехода от ламинарного к турбулентному режиму. Струя холодного воздуха испытывает значительное сопротивление элементов окружающего рельефа и тормозится, при этом поперечные размеры факела резко увеличиваются в связи с вовлечением окружающего воздуха в принудительное движение. Происходящее при этом смешение теплых и холодных струй приводит к "термическому торможению" потока, средняя температура по сечению которого непрерывно увеличивается. На рис. 4.28 показано температурное поле, формирующееся под влиянием воздушного потока, выходящего со скоростью v-2,8 м/сек. из входного отверстия Мал. Голубинской пещеры в окружающую среду с температурой 19,5°С. Большая скорость воздушной струи на выходе и относительно ровный рельеф окружающей местности обусловливает значительное распространение холодного факела на расстояние, во много раз превышающее поперечные размеры входного отверстия.

Рис. 4.27. Распределение температуры по сечению воздушного потока, выходящего из отверстия Ленинградской пещеры на расстоянии 1 м (а), 3 м (б), 5 м (в) и 10 м (г) от входа (август 1967 г.).

Рис. 4.28. Распределение температуры воздуха в припещерной зоне (Малая Голубинская пещера, август 1967 г.).

Длина ручья, вытекающего из Ленинградской пещеры, является ложем воздушного потока, что профилирует его и ограничивает распространение в ширину (рис. 4.27), обеспечивая в летний период проникновение холодных воздушных потоков вдоль ручья вплоть до впадения его в р. Сотку. Сложный характер поперечного температурного поля потока в различных сечениях (рис. 4.27) обусловлен термическим торможением потока на его верхней границе, а также экранирующим действием стен при поворотах ручья. Развитый турбулентный режим потока приводит к образованию замкнутых вихревых областей, четко выделяющихся на рис. 4.27. Наблюдения показали, что впадающий в р. Сотку поток холодной воды из пещеры (расход 0,15 м³/сек., температура 3°) сильно сносится течением и интенсивно перемешивается с речной водой. Понижение температуры воды по береговой линии вниз по течению реки отмечается на расстоянии более 30 м. Аналогичные измерения температуры воды вдоль берега р. Пинеги в районе Бол. Голубинской пещеры позволили четко установить выход подземного источника, исчезающего в одном из ходов пещеры и появляющегося восходящим потоком в реке. Интенсивный вынос холода в летний период потоками воздуха и воды, выходящими из пещер, обусловливает весьма специфический микроклимат припещерной зоны и, таким образом, влияет на характер растительности вблизи входа в пещеры, что неоднократно отмечалось при геоботанических исследованиях (Ал. и Андр. Федоровы, 1929; Сабуров, 1972) как одна из важных причин сохранения на Пинежье реликтовой флоры послеледникового периода.

Формы поверх. карста

Ленинградская пещера