Изучение воздушных потоков в пещерах важно как с научной точки зрения, так и с точки зрения спелеолога-исследователя - наблюдения за ветром позволяет эффективно искать и находить продолжения пещер.

Причины возникновения ветра в пещерах:

1. Разность температуры воздуха в пещере и на поверхности при наличии нескольких входов, расположенных на разной высоте.
2. Увлечение воздуха падающей водой (водоструйный насос).
3. Изменение атмосферного давления.
4. Задувание ветра с поверхности.
5. Изменение уровня подземных вод.
6. Локальный нагрев воздуха в пещере.

Первые две причины встречаются очень часто; ветер же, возникающий в результате колебаний атмосферного давления, обычно слабый (количественные оценки будут даны ниже) и труден для наблюдения. Последние три причины достаточно экзотичны.

Рассмотрим указанные причины более подробно.

1. Разность температуры воздуха в пещере и на поверхности при наличии нескольких входов на разной высоте.

Более холодный воздух имеет большую плотность. В летнее время холодный воздух пещеры тяжелее, а следовательно, его давление на нижнем входе больше атмосферного на той же высоте. В летнее время этот более холодный воздух выбрасывается из нижних входов, а в верхние входы засасывается атмосферный, который быстро охлаждается. Зимой направление циркуляции обратное (Рис.1). В переходный период, когда температура на поверхности примерно совпадает с пещерной, циркуляция слабая, неустойчивая и ее направление может меняться в зависимости от времени суток.

Для возникновения сильного ветра большой перепад высот не обязателен; основным условием является наличие значительной разности температур между пещерой и поверхностью. 50-70м перепада высоты вполне достаточно для возникновения потока воздуха до 1м³/с при наименьшем сечении хода около 0,4м² (п.Малахитовая Оранжерея, сев. плато Фишта). (Каждый может наблюдать этот эффект зимой у себя дома - в сильные холода холодный воздух дует из щелей внизу окна или под дверью, а теплый уходит сквозь щели вверху окна.)

В больших пещерах расход воздуха, обусловленный этим эффектом, составляет десятки м³/с. Например, в пещере Снежная измерения, проведенные в районе зала Победы, дали 50 м³/с [Усиков, Мавлюдов, 1979] . Расстояние, проходимое воздухом в системе Снежной от самых верхних входов, расположенных на высоте около 2400м) до нижних, находящихся в зоне леса, превышает 10 км при перепаде высот порядка 1,5 км. Летом высота, на которой изменяется направление ветра на входах в систему, составляет 1800-1900м.

Дадим здесь некоторые количественные оценки. Предположим, что перепад температуры Δt между пещерой и поверхностью составляет 20 градусов. Плотность воздуха ρ ≈ 1,29 кг/м³, коэффициент объемного расширения k=3,67x 10^-3 1/град, откуда Δρ = ρkΔt = 0,095 ≈ 0,1 кг/м³. Если разница высот между входами составляет 100м, а мы завесили нижний вход полиэтиленом, то давление на него составит P=100 Δρ =10 кг/м², а если 1000м, то 100кг/м², или 7,3 мм.рт.ст. Заметим, что этот эффект оказывает некоторое влияние на определение глубины пещеры посредством баронивелирования [Шелепин, 2004].

Циркуляция воздуха, вызываемая перепадом температур между пещерой и поверхностью, имеет сезонный характер -- зимой и летом ее направления противоположны -- и поэтому может быть названа сезонной. Она ярко выражена там, где имеется большое число входов, расположенных на разных уровнях. На Гагрском и Бзыбском хребтах, Фиштинском массиве это условие выполнено почти повсеместно. На крымских же яйлах с их плоским рельефом ток воздуха в пещерах обычно гораздо слабее, если вообще ощущается.

Сезонную циркуляцию воздуха можно использовать в весеннее время для поиска входов по протаявшим воронкам [Сорокин, 1984].

Возвратимся к примеру пещерной системы Хипстинского массива, но уже ко входам, находящимся в зоне леса (на высоте 1000-1100м) на расстоянии менее километра от конца исследованной части п.Снежная. На выходе из п.Каньон расход воздуха составляет в июле-августе 4-5м³/с. Это доказывает, что Каньон и Самохват являются нижними входами в достаточно большую пещеру. При смешивании с теплым влажным атмосферным воздухом происходит конденсация водяных паров и облако устремляется от пещеры вниз по расселине. На расстоянии 100-150 метров вниз по балке от входов в Каньон и Самохват создается микроклимат - воздух значительно холоднее и, к примеру, полностью отсутствуют комары, которых в окрестности изобилие.

2. Увлечение воздуха падающей водой (водоструйный насос).

Этот эффект наблюдается практически повсеместно в обводненных вертикальных пещерах. Как и водоструйном насосе, воздух увлекается падающей водой. Ток воздуха усиливается, если рядом с обводненным колодцем имеются сообщающиеся с ним сухие (см. Рис.2). Характерный пример - 120-метровый колодец ("Коллектор") в пещере Крестик-Турист (массив Фишт, Кавказ); воздух увлекается падающей водой вниз, а затем поднимается по соседним колодцам, в результате чего возникает круговая циркуляция. В данном случае расход воды в колодце составляет 20-30 л/с, воздушный поток -- порядка нескольких м³/с, а путь, проходимый воздушным потоком - 350-500м.

3. Изменение атмосферного давления.

Существенно проявляется лишь в случае наличия полостей большого объема c узким входом (Рис.3). Для оценки необходимых объемов используем формулу для идеального газа PV=(m/μ)RT, что при постоянной температуре T и массе m дает PV=const, ΔP/P = ΔV/V. При характерном перепаде давления ΔP порядка нескольких миллиметров ртутного столба ΔP/P ≈ 1/300, откуда при среднем потоке воздуха 0,1 м³/c в течение суток (что приблизительно отвечает 10 000 м³ за сутки) получим, что объем полости V должен составлять 3 000 000 м³ или зал 100x100x300 метров.

Формула ΔP/P =ΔV/V позволяет оценить объем пещеры при известных изменении давления ΔP и объеме воздуха ΔV, прошедшем через вход в результате этого изменения. Чем больше объем, тем дольше отклик пещеры на изменение внешнего давления и тем более длительные изменения давления (связанные с изменением погоды) необходимо использовать для измерений.

Для наблюдений необходимо выполнение двух условий: большие объемы и наличие одного небольшого входа. Если входов много, и к тому же они расположены на разных уровнях, то на эффект, возникающий из-за изменения атмосферного давления, будут накладываться как правило гораздо более сильные, связанные с сезонной циркуляцией.

Имеется хороший обзор [Lewis, 1991], посвященный влиянию изменения атмосферного давления на циркуляцию воздуха в пещерах. В нем рассматриваются колебания воздушного потока, вызываемые колебаниями атмосферного давления с характерными временами от нескольких секунд до нескольких дней. Особо рассматривается суточная цикличность.

4. Задувание ветра с поверхности.

Очевидная причина ветра в коротких сквозных пещерках (Рис.4а). Менее тривиальный пример - вертикальная пещера ИГАН-4, расположенная на гребне Раздельного хребта в 200м. выше входа в п.Снежная. Если в нижней части пещеры летом сильно дует вниз, то во входной части (примерно до 50-60 метров глубины) ток воздуха непостоянен и все время меняет направление. Это связано с тем, что склон под входом достаточно крутой (примерно 35 градусов) и, несмотря на отсутствие входов, проходимых для человека, на нем имеется несколько мест с током воздуха через камни и щебенку (Рис.4б).

5. Изменение уровня подземных вод.

Изменение уровня воды может вызвать очень сильные перепады давления в замкнутых объемах за сифонами (до нескольких атмосфер, как это случилось в п. им. В.Пантюхина [Вольский, 1994]).

6. Локальный нагрев воздуха в пещере.

Как причина возникновения тока воздуха с размером соответствующей области циркуляции порядка нескольких метров наблюдался автором в тупиковом ходе системы Каньон-Самохват (Хипстинский массив). В тупиковом колодцеобразном ходе, разделенном на последних 3-4 метрах вертикальной стенкой (см. Рис.5) на две части, в которой у самого дна имелось отверстие (сечением порядка 0,2м²), я ворочал камни и таким образом вместе с парой свечек нагревал окружающее пространство. Через некоторое время в отверстии возник ток воздуха, слегка отклоняющий пламя свечи. Подумав было, что продолжение в параллельном стволе, я переместился туда, а через некоторое время изменилось и направление тока воздуха.

Несколько слов о наложении действия различных причин. Наиболее сильным (хотя обычно локальным) является ветер, возникающий за счет увлечения водой; в больших сильно обводненных колодцах он может достигать шквальной силы. Вызывая многочисленные локальные завихрения, этот ветер на многих участках пещер фактически не позволяет наблюдать ток воздуха, обусловленный другими причинами. Глобальная (магистральная) циркуляция обычно обусловлена разностью температур между пещерой и поверхностью; она, в свою очередь, затрудняет наблюдения циркуляции, обусловленной изменением атмосферного давления.

Встречаются и довольно сложные ситуации, для понимания которых необходимо рассматривать процесс в динамике. Стандартная летняя циркуляция воздуха в пещере предполагает засасывание воздуха верхним входом и выбрасывание нижним, зимняя -- наоборот, см. Рис.1. Летом циркуляция воздуха системе Каньон-Самохват обычная -- оба входа выбрасывают воздух наружу. Казалось бы, зимой вход в Самохват (как нижний вход в систему) должен засасывать воздух, но вместо этого из входа, как и летом, сильно дует наружу!

Более точно, происходит следующее. Основной поток воздуха заходит через широкий вход в Каньон, при этом постепенно нагреваясь, а затем разветвляется - большая часть проходит через завал и узости на дне системы и уходит по направлению к гипотетическому верхнему входу, а меньшая часть выбрасывается обратно на поверхность через вход в Самохват (Рис.6). Эта особенность циркуляции объясняется тем, что столб воздуха в Самохвате теплее, чем в Каньоне, где он еще не успевает как следует согреться -- зимой веревки могут обледеневать в его огромном колодце-трубе до глубины около 200м. Входная часть Самохвата (до глубины 50м) узкая и имеет пропускную способность на порядок меньше, чем Каньон, затем идут широкие колодцы с теплым воздухом. Завал на дне системы сильно ограничивает пропускную способность, и часть воздуха из Каньона выходит через Самохват.

Ряд интересных наблюдений и теоретических соображений можно найти в работе "Трактат о пещерных ветрах" [Дегтярев, 2012].

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ:

W.C.Lewis. Atmospheric pressure changes and cave airflow: a review. The NSS Bulletin v.53, 1991, No1, p.1-12.
И.С.Вольский. Пропасть имени В.С.Пантюхина. Будет ли новый мировой рекорд? Библиотечка спелеолога, выпуск 1, Изд-во МФТИ, 1994.
А.П.Дегтярев. Трактат о пещерных ветрах, 2012 г.
Б.Р.Мавлюдов, Д.А.Усиков. Предварительный отчет об исследованиях пещеры "Снежная" Западно-Кавказским карстово-гляциологическим отрядом отдела гляциологии Института географии АН СССР (июнь-июль, 1979). Москва, 1979, 73с.
А.Б.Сорокин. Отчет по результатам поиска по протаявшим воронкам на Бзыбском хребте (район г. Хипста) в мае-июне 1984г.
А.Л.Шелепин. Баронивелирование в пещерах, 2004 г.