Наиболее богата крупнейшими полостями всех типов Европа (20 шт.); затем следуют Азия (14) и Северная Америка (12); Африка и Австралия (по 10); замыкает список Южная Америка (9). "Пустые места" в таблице 3 обязательно заполнятся в ближайшие годы. По количеству крупных полостей своего континента на первом месте США (11 шт.), затем следуют Алжир, Бразилия, Исландия, Италия, Франция (по 6) и Россия (3). 12 стран имеют по 2, 13 - по одной крупнейшей полости своего континента.
В таблице 4 приведены данные о 5 крупнейших полостях мира. Все они (кроме Оптимистической) заложены в известняках. По протяженности 3 из них находятся в Северной Америке (США), 2 - в Европе (Украина и Швейцария), а по глубине 3 - в Европе (Австрия, Франция), 1 - в Азии (Грузия), 1 - в Северной Америке (Мексика).
Таблица 3 Самые крупные полости разных континентов и мира (по протяженности, км. и глубине, м.)
| Горные породы | Европа | Азия | Африка | Австралия и Океания | Северная Америка | Южная Америка |
| Известняк | 165,5 Хельлох, Шв.2 1634 Лампрехтсофен, Австр. | 109,0 Гуа-Ер-Джермин, Мал. 1508 Пантюхина, Гру. | 18,4 Рхар-Бумаза, Алж. 1170 Ану Иффлис, Алж. | 54,8 Мамо Кананда, Пап. 1141 Мурук, Пап. | 563,5 Мамонтова, США 1475 Хайютла, Мек. | 64,00 Тока да Боа Виста, Бра. 407 Мильпо де Каукиран, Пер. |
| Мел | 7,0 Руффиньяк Фр. 35 Гюи-Денизо, Фр. | ? | ? | 10,8 Мулламглланнг Ав. 134 Вибубби, Ав. | ? | ? |
| Гипс и ангидрит | 207,0 Оптимистическая, Укр. 205 Сумидор, Исп. | 1,48 Баскунчакская, Рос. 126 1000-летия Киева, Тадж. | 3,59 Умм эль Масаби, Лив. 212 Дахредж, Алж. | ? | 9,67 Джестер, США 110 Милл Рейс, США | 0,89 Куэва дель Иезо, Кол.? |
| Каменная соль | 3,20 Минжелешти, Рум. 42 Минжелешти, Рум. | 5,45 Малхам, Изр. 135 Малхам, Изр. | 1,03 Джельфа, Алж.? | ? | ? | ? |
| Конгломерат | 6,0 Кастель Сотерра, Ит. 198 Торремас, Исп. | 47,5 Б. Орешная, Рос. 195 Б. Орешная, Рос. | 5,26 Кенгоу, ЮАР? | ? | ? | ? |
| Песчаники и кварциты | 5,85 Пезенас, Фр. 215 Серрат де Вен, Исп. | ? | 2,4 Магнет-Кейв, ЮАР 105 Гхар Абден, Map. | 0,24 Фансей-Вет, Ав. 113 Биг-Холе, Ав. | 0,33 Клер-Спрингс, США 165 Паютч, США | 1,5 Планальпина, Бра. 362 Сима Аонда, Вен. |
| Сланцы | 0,52 Дель Церво, Ит. 148 Пель Церво, Ит. | ? | ? | ? | 0,18 Клей, США? | 1,38 Экос, Бра.? |
| Граниты и гнейсы | 2,61 Бодагротторна, Швец. 140 Воитасгалло, Швец. | 0,23 Матангапарватам, Инд. 76 Катар Кува, Инд. | ? | 0,26 Галия, Ав. 120 Галия, Ав. | 3,98 ТСОД, США 152 Грин-Хорн, США | 0,3 Хачина, Бра.? |
| Базальтовая лава | 3,0 Калмансхеллир, Исл. 218 Принукагигур, Исл. | 13,27 Манжун-Гул, Кор. 181 Намгадук-Гул, Кор. | 12,40 Левиафан, Кен. 515 Куэва-дель-Виенто, Исп. | 60,0 Казумура, США 352 Аинахоу, США | 5,66 Лабиринтовая, США 200 Юж. грот, США | 2,33 Галлардо, Экв. 57 Буканеро, Экв. |
| Глетчерный лед | 2,85 Кверкфьолл, Исл. 525 Кверкфьолл, Исл. | 1,39 Октябрьская, Каз. 118 Октябрьская, Каз. | ? | ? | 6,0 Парадайз США 3? | ? |
Примечания к таблице 3:
|
|
Крупнейшие полости мира подчеркнуты
Местоположение Ав. - Австралия, Австр. - Австрия, Алж. - Алжир, Бра. - Бразилия, Вен. - Венесуэла, Гав.о-ва. - Гавайские о-ва, Гру. - Грузия, Изр. - Израиль, Инд. - Индия, Исл. - Исландия, Исп. - Испания, Ит. - Италия, Каз. - Казахстан, Кан.о-ва. - Канарские о-ва, Кен. - Кения, Кол. - Колумбия, Кор. - Корея, Лив. - Ливия, Мал. - Малайзия, Map. - Марокко, Мек. - Мексика, Нов.Зел. - Новая Зеландия, Пап. - Папуа-Новая Гвинея, Пер. - Перу, Рос. - Россия, Рум. - Румыния, США - Соединенные Штаты Америки, Тадж. - Таджикистан, Укр. - Украина, Фр. - Франция, Шв. - Швейцария, Швец. - Швеция, Экв. - Эквадор, ЮАР -Южно-Африканская Республика
|
|
Вследствие таяния ледника длина пещеры за 25 лет уменьшилась с 24 до 6 км.
Таблица 4 Пять самых крупных карстовых полостей мира
| Название | Страна | Протяженность, км | Название | Страна | Глубина, м |
| Мамонтова | США | Жан-Бернар | Франция | ||
| Оптимистическая | Украина | Лампрехтсофен | Австрия | ||
| Джевел | США | Мирольда | Франция | ||
| Хельлох | Швейцария | Пантюхина | Грузия | ||
| Лечугия | США | Хайютла | Мексика |
В 1988 г. венгерские географы "ранжировали" страны мира не по одной, а по пяти крупнейшим пещерам (табл. 5). По состоянию на 1998 г., на первом месте по протяженности пещер с большим отрывом (2,5 раза) находятся США, затем следуют страны Европы (Украина, Швейцария, Франция). По глубине 3 первых места занимают страны Европы (Франция, Испания, Австрия), затем следуют Северная Америка (Мексика) и Азия (Грузия).
Таблица 5 Страны, в которых расположены 5 самых крупных полостей мира (все, кроме Оптимистической,- в известняках)
| №№ | Страна | Суммарная протяженность, км | №№ | Страна | Суммарная глубина, м |
| США | Франция | 6,9 | |||
| Украина | Испания | 6,6 | |||
| Швейцария | Австрия | 6,4 | |||
| Франция | Мексика | 6,3 | |||
| Испания | Грузия | 6,2 |
Приведенные данные свидетельствуют о "спелеологической активности" бывшего СССР (крупнейшие полости имеются в Грузии, Казахстане, России, Таджикистане, Украине), стран Центральной Америки (Мексика) и Океании (Папуа). Страны "традиционной" спелеологии лишь меняются в этих списках местами, отражая многолетнее соперничество их спортивных школ.
|
|
Кроме протяженности и глубины крупнейших полостей, МСС ведет учет ряда других параметров карстовых и некарстовых полостей мира.
Самые северные по расположению - пещеры в глетчерном льду (Шпицберген, 79° с.ш.) и гидратационная пещера в гипсах (Новая Земля, 71° с.ш.).
Самые южные по расположению - эксплозионно-фумарольная пещера-онкос на склоне вулкана Эребус (Антарктида, 77° ю. ш.) и карстовые пещеры Новой Зеландии (45° ю. ш.).
Самая высоко расположенная карстовая полость - пещера Ракиот (+6645 м, мраморы массива Нанга Парбат, Индия); из крупных полостей: в Евразии - гидротермокарстовая Сыйкырдуу (+4600 м, 2050/-268, Памир), в Южной Америке - речная система Мальпо де Каукиран (+3992 м, 2141/-407, Анды).
Самая низко расположенная карстовая полость - пещера Колонель (-372 м, каменная соль массива Седом, берег Мертвого моря, Израиль). Самые низко расположенные затопленные морем пещеры (-200 м) обнаружены в известняках, слагающих континентальный склон Средиземного моря.
Крупнейшие сплошные отвесы пройдены в пещерах Вртиглавица (643 м, Словения), Холленхелле (450 м, Австрия), Минье (417 м, Папуа-Нов. Гвинея), Абац (410 м, Грузия).
Крупнейшие залы:
по площади
Саравак (Малайзия, 167 тыс. м2,или 26 футбольных полей);
Торка дель Карлиста (Испания, 76,6 тыс. м2).
по объему
Саравак (Малайзия, 25 млн. м3,или 10 пирамид Хеопса),
Миао (Китай, 5 млн. м3),
Бенуа (Папуа-Нов.Гвинея, 5 млн. м3).
Длиннейший сифон: Ду де Коли, Франция, 4055 м.
Глубочайший сифон: Воклюз, Франция, -310 м.
Длиннейшая заполненная водой пещера: Леон Синкс, США, 16732 м.
Самый высокий подъем уровня воды в пещере: Луир, Франция, +450 м.
6.9. Подземные ландшафты
Выдающийся русский географ Н. А. Гвоздецкий в 60-е гг. XX в. обратил внимание исследователей на то, что карстовые явления - не редкость, каковой они считались в XIX и даже в начале XX в., при слабой географической и геологической изученности отдельных стран и поверхности земли в целом. Поэтому изучение карстовых процессов - отнюдь не частная проблема геолого-географических наук. В полной мере это относится и к подземным пространствам. Как следует из приведенного краткого обзора, карстовые и некарстовые полости очень широко развиты на всех континентах (рис. 48).
Интересно сопоставить распространение подземных полостей в пределах разных климатических зон. Изучение карста было начато в умеренном поясе, характеризующемся значительными различиями между летом и зимой, средним количеством атмосферных осадков (250-1000 мм), частым выпадением и стаиванием снега. В пределах этого пояса располагаются карстовые регионы Северо-Западной, Средней и Восточной Европы, части Северной, Центральной и Восточной Азии, Канады, юга Южной Америки и Новой Зеландии с большим количеством полостей.
Почти нет пещер в субарктическом и арктическом (антарктическом) поясах, для которых характерны большие колебания годовых температур, малое количество осадков (менее 250 мм), наличие многолетнемерзлых пород. Возможно, это объясняется их недостаточной изученностью.
Очень много полостей находится в субтропических поясах, для которых характерно большое количество годовых осадков (500-более 1000 мм) при их четком сезонном ходе. В этих поясах находятся карстовые районы Южной Европы, части Малой, Центральной и Восточной Азии, Соединенных Штатов Америки, Чили, Аргентины, Парагвая, Уругвая, юга Бразилии, Африки и Австралии, части Новой Зеландии.
Тропические пояса отличаются повышенной температурой воздуха (при ее слабых сезонных колебаниях), высоким (более 1000 мм) количеством осадков. К ним относятся регионы Западной и Южной Азии, Центральной и Южной Америки, Северной и Южной Африки, почти вся Австралия.
Субэкваториальные и экваториальный пояса отличаются малыми температурными колебаниями и четким сезонным ходом осадков (много более 1000 мм). В них входят карстовые районы части Южной Азии, Центральной Африки, Центральной и Южной Америки, где в последние годы открыто много очень крупных и своеобразных по морфологии полостей.
Такие существенные различия в климате, естественно, породили особое, климатическое, направление в изучении карста и наземных карстовых ландшафтов. Интерес к нему возрос после того, как в "классическом" карсте Словении, в настоящее время находящемся в условиях умеренного климата, были обнаружены формы, предположительно образованные в более холодных или значительно более теплых (даже жарких) условиях. Дальше все было, как в поэме А. К. Толстого "История государства Российского":
Не далее как к святкам
Я Вам порядок дам.
И тотчас за порядком
Уехал в Амстердам.
Только поехали карстологи и спелеологи отнюдь не в Амстердам, а в полярные страны (Ж. Корбель, М. Пулина и др.) и в тропики (М. Свитинг, Р. Вильяме и др.). Изучив особенности карста высоких и низких широт "в чистом виде", они вернулись в свои карстовые регионы. Углубленный палеогеографический анализ показал, что, действительно, в той же Словении в начале антропогена (примерно 1,5-2 млн. лет назад) карст развивался в условиях значительного похолодания, а в палеогене (65-25 млн. лет назад) - потепления...
Ну а как же подземные полости? В какой мере они реагируют на изменения ландшафтных условий поверхности? Еще в 1928 г. В. П. Семенов-Тяньшанский выдвинул идею о необходимости выделения пещерного ландшафта как самостоятельной ландшафтной категории. В 40-е гг. ее поддержали и развили Н. А. Гвоздецкий, а в 60-70-е - Б. А. Гергедава, Л. И. Маруашвили и А. Г. Чикишев. Наиболее полно эту проблему осветил В. Н. Андрейчук. Подземный ландшафт - природный комплекс с особой подземной топографией, климатом, гидрографической сетью, отложениями, растительностью, животным миром. Подземный ландшафт тесно связан с наземным. Лучше других изучены эти связи для карстовых ландшафтов, однако данные свидетельствуют о необходимости исследования и других типов ландшафтов.
Воздержимся даже от самого общего изложения современных представлений о составе, структуре, функционировании и динамике развития подземных ландшафтов. Это слишком специальный вопрос, рассмотрение которого увело бы нас далеко от темы. Понятие "подземный ландшафт" просто используется нами для "организации" материала. В отдельных главах будут рассмотрены некоторые направления изучения подземных пространств: в главе 7 - особенности их микроклимата; в 8 - их гидрология, в 9 - отложения, в 10-12 - живые и вымершие обитатели, в 13-15 - проблемы археологии. Остальные главы посвящены использованию подземных пространств и некоторым аспектам их охраны.
КЛИМАТ ПЕЩЕР
Вам случалось входить в подземелье
Прямо с пыльного, знойного дня,
Чтоб от сырости руки немели,
Чтобы слепли глаза без огня?
Л. Ошанин
7.1. Свет во тьме
Пещеры ассоциируются у человека с абсолютным мраком. Между тем известны шахты, в которые на большую глубину от поверхности проникают солнечные лучи.
В 1959 г. крымские спелеологи преодолели "ламповое стекло" Бездонного колодца на Чатырдаге, впервые в СССР спустившись на глубину 145 м (рис. 19). Их поразило, что здесь можно было свободно вести записи без фонаря: лучи солнца, многократно отраженные оглаженными водой розово-красными стенами, проникали в самые дальние уголки придонного зала. Над конусом снега поднимался сиреневый туман испарений... На еще большую глубину (417 м) проникают солнечные лучи в гигантский ствол пещеры Минье на острове Новая Гвинея, куда на добрые 200 м может опуститься вертолет (рис. 54).
Свет и тьма - пример самого яркого контраста в природе, который привел человека к познанию одного из основных законов диалектики. Еще в XI в. до н. э. древнекитайские мудрецы изображали единство противоположностей в виде черно-белой окружности Ян-Инь (рис. 55), где Ян - небо-Отец, а Инь - земля-Мать. Отождествление природы и человека привело к вере в возникновение всего сущего благодаря половому воспроизводству. Сексуальные отношения мужчины и женщины стали моделью, по аналогии с которой осознавались природные связи и конструировались диалектические противоречия - день и ночь, солнце и луна, восход и заход, лето и зима, тепло и холод, огонь и вода, сухое и мокрое, твердое и мягкое. На страницах дошедших до нас рукописей философы древности раскрывали тайны познания, связанные с возникновением абстрактных понятий, также объединяющих противоположности. Это бог и черт, добро и зло, белое и черное, правое и левое, четное и нечетное, материальное и духовное, количество и качество, активность и пассивность. "Тайна двойного" - в единстве, и владеть ею могут только посвященные, умные, высокоморальные люди. Познание этой великой тайны - спираль, по которой развертывалось формирование человека от гениальных догадок прошлого до системного анализа современности. Во все времена это был путь выявления связей в пространстве и во времени, способ охвата целого в единстве, умение увидеть за "деревьями - лес". Символу Ян-Инь посвящена обширная литература, из которой мы узнаем, что многие верования азиатских, европейских, африканских народов восходят к пещерам... Недаром трансформированный в объемную фигуру символ Ян-Инь был избран в качестве эмблемы VIII Международного конгресса спелеологов в 1981 г. в США (рис. 55).
Но вернемся из глубин философии к глубинам Земли. Еще в средние века люди иногда замечали на стенах пещер переливы золотисто-зеленых искорок. Легенды рассказывали, что это трудолюбивые гномы сложили здесь россыпи драгоценных камней. Но стоит взять их в пригоршню и вынести на свет, как они превращаются в сырые комочки земли. Пронизывающие их тонкие матово-зеленые нити - это ростки пещерного мха-шизостега. Свет, который излучает мох, не его собственный. Округлые клетки пещерного мха, как оптические линзы, собирают невидимые человеческому глазу кванты света, преломляют их в виде узкого луча и направляют на хлорофилловые зерна. А те создают из неорганических соединений питательные органические вещества. Частично отражающийся от зерен хлорофилла свет и создает таинственные огни в глубине пещер.
В тропиках обитают светляки, снискавшие всемирную славу пещере Уайтомо (Новая Зеландия). Тихо скользит лодка по течению подземной реки. Не горят электрические фонарики, но в пещере светло. Со стен и сводов льется зеленовато-синий свет. Мириады светящихся точек созвездиями покрывают потолок, с него свисают фестоны и занавеси, состоящие из отдельных нитей, унизанных светящимися каплями. Стукнет весло о камень - сияние гаснет. Все умолкает - разгорается так, что можно читать...
В пещере Уайтомо обитают личинки грибного комарика Arachnokampna Luminosa. Жизнь его начинается с того, что самка откладывает на стенах пещеры крохотные (доли миллиметра) круглые яйца. Дней через двадцать из тесной оболочки появляется червячок-личинка. Она сразу вспыхивает ярким светом и начинает плести себе домик-трубочку. Закончив работу, личинка выпускает изо рта тонкую "леску" с 60-70 капельками липкой слизи. Привлеченный светом комар подлетает к нити и прилипает к ней. Личинка "сворачивает" свое удилище и проглатывает его вместе с жертвой. Через 8-9 месяцев личинка убирает ловчие сети, окукливается и повисает на тонкой шелковинке. Куколки тоже светятся, то вспыхивая, то погасая. Затем из них выводится комарик, вылетает из пещеры, встречает самку, и жизненный цикл повторяется. Свечение пещеры Уайтомо - сложный процесс, при котором 99% биохимической энергии высвобождается в виде "холодного" света, который светлячок может по своему желанию "включать" или "выключать".
В середине XX в. была раскрыта еще одна тайна пещер. Если на долю секунды включить электрический фонарь или облучить стены пещеры, покрытые натеками, лампой-вспышкой, возникает призрачное свечение, вызванное флюоресценцией. Так что тьма пещер не абсолютна. И, безусловно, правы спелеологи, избравшие своим девизом латинскую пословицу post tenebras spera lucem - " после мрака надеюсь на свет ". Часто эти надежды реализует воображение человека. А. Е. Ферсман в одной из своих геохимических работ писал: "Вообразить - открывать - это значит вносить частицу собственного света во тьму пещер, где обитают разнообразные возможности, формы и величины..."
Иногда познание таинственного мира пещер принимает удивительные формы. В 1966 г. вышла из печати книга "Моя двойная ночь". Ее автор, Колет Ришар, женщина нелегкой судьбы. Родилась она в 1935 г. в Версале и через два года полностью ослепла. В 10 лет Колет получила в награду за отличную учебу небольшую книгу Н. Кастере о пещерах, набранную шрифтом Брайля. Так перед ней открылся мир подземных дворцов. Но прежде чем попасть в них, Ришар с помощью известных французских альпинистов М. Эрцога, Л. Тере, Г. Ребюффа овладела основами скальной и ледовой техники, совершила восхождения на альпийские вершины. Еще через 5 лет осуществилась ее мечта: Колет познакомилась с Норбером Кастере и стала первой в мире слепой пещерницей... На ее счету десятки пройденных пещер, в том числе - спуск на глубину 720 м в знаменитую Пьер Сен-Мартен. Единственная ее "слабость" как спелеолога - любовь к одиночеству. Безмолвие пещер, их "двойная темнота" не страшат Колет. Легкий свист ее "зрячего друга", карбидной лампы, придает особую поэтичность подземному миру...
7.2. Владения Эола
Согласно греческой мифологии Эол - повелитель ветров, правитель острова Эолия, где нашел приют Одиссей во время своих странствий. В гомеровских и более поздних сказаниях Эол уже поэтический образ владыки ветров; он восседает со скипетром на вершине горы, над пещерой, в которой заключены ветры. Приходится только поражаться образности и точности представлений древних греков: в пещерах и шахтах почти всегда ощущается движение воздуха. Иногда это теплое дуновение, напоминающее нежный западный ветер Зефир; иногда - холодные порывы, сродни северному Борею...
Рис. 56. Схема движения воздуха под землей.
А - динамические пещеры, Б - статические пещеры. Направления движения воздуха: а - холодного (зима, ночь), б - теплого (лето, день), в - сифоны. Зоны: г - с замедленным движением воздуха, д - с воздухом пониженной температуры, е - с воздухом повышенной температуры
Что же приводит в движение воздух под землей? Основных причин две: нарушение равновесия между внешним и внутренним столбами воздуха и перепад атмосферного давления. Их описывают две модели - динамическая и статическая.
К динамическому типу относятся полости, имеющие два входа, расположенные на склонах или на склоне и плато, либо состоящие из галереи, соединенной с поверхностью узкими трещинами (рис. 56). Воздух в пещере обычно более влажен, чем поверхностный. Поэтому равновесие между их столбами нарушается и возникает сезонная тяга (наподобие тяги в печке): зимняя восходящая и летняя нисходящая. Это приводит к значительному охлаждению нижней и прогреву верхней части пещеры. Например, в Красной пещере в Крыму средняя годовая температура воздуха нижних этажей +8 °С, а верхних - +11. Скорость движения воздуха в таких пещерах весьма значительна: обычно она составляет 0,3-2,0 м/с, увеличиваясь в сужениях до 5-10 м/с.
Коэффициент воздухообмена (отношение объема воздуха, проходящего через пещеру за сутки, к объему полости) в динамических пещерах достигает 15-25 раз в сутки, а в узких коррозионно-гравитационных шахтах даже 75-120 раз в сутки. Поэтому в главных, хорошо проветриваемых ходах таких пещер воздух всегда более свежий, чем в тупиковых. С этим, однако, связана одна из специфических опасностей пещер, дым от факелов или от костра, неосторожно разведенного у входа, может доставить много неприятностей людям, находящимся в глубине пещеры.
В двух- или многовходовых пещерах часто проявляются различные второстепенные причины возникновения движения воздуха: колебания атмосферного давления, эффект разрежения, связанный с водными потоками, порывы ветра на поверхности. В постоянно обводненных пещерах большое влияние на направление и интенсивность воздушной циркуляции оказывают сифоны (рис. 56). Когда они закрыты, дальняя часть пещеры "отключается" от ближней. Летом сифоны открываются и возникает очень сильная воздушная тяга, иногда меняющая сезонное направление движения в ближней части пещеры на обратное.
Очень активно движение воздуха у подземных водопадов. Движущаяся масса воды увлекает за собой воздух, как насосом, загоняя его в самые дальние уголки пещеры. Здесь наблюдается еще одно интересное явление: баллоэлектрическии эффект. Вода, падающая с большой высоты, разбрызгивается на мелкие (менее 1 мм в диаметре) капли, которые приобретают значительный заряд (0,7-1,0x10-12 кулон/см3). Поэтому у подземных водопадов особенно легко дышится.
С высокой электризацией воздуха пещер связано и то, что входы в них "притягивают" молнии... Специальные наблюдения, выполненные в Пиренеях, показали, что процент поражения молниями в привходовых частях пещер статистически выше, чем при укрытии от грозы просто под скалами...
Еще одно интересное явление - "пещерное дыхание". Оно наблюдается в плоских или объемных лабиринтах (Оптимистическая и Кристальная - в Подолии, Красная и Эмине-Баир Хосар - в Крыму, Винд - в США и пр.). Суть его в том, что на входах в пещеры или в сужениях, разделяющих их отдельные части, отмечается пульсация воздуха по скорости (0-5 м/с) и по направлению (зимняя тяга сменяет летнюю). Периодичность "дыхания" может колебаться от nx101 мин. до nx100 с. Имеется несколько гипотез, объясняющих механизм этого природного феномена. Р. Заар предложил модель, связывающую "пещерное дыхание" с атмосферным давлением на поверхности. Но их изменения на протяжении суток, как правило, не совпадают. Р. Подзимек считает, что пещера "дышит" при накоплении в воронкообразном входе более холодного воздуха, который затем прорывается через столб теплого воздуха, поднимающегося из пещеры. Такой механизм действительно описан на входе в лабиринт Озерной пещеры (Подолия). Но он объясняет только длиннопериодические (десятки минут - часы) изменения тяги, так как для накопления холодного воздуха во входной воронке нужно время.
Как часто бывает в науке, ответ пришел с совершенно неожиданной стороны. В 30-е годы в Америке, а затем и во всем мире, появилась забавная игрушка. Это небольшая (10 см длиной) металлическая лодочка, в которой установлен миниатюрный паровой котел - два спаянных очень тонких листика жести площадью 1 см2 со входной (питающей) и выходной (выдающей) трубочками, выведенными в корму. Котел заполняется пипеткой, вода доводится до кипения при помощи небольшой плошки с парафином и фитилька, и... лодочка начинает довольно быстро двигаться по воде, издавая звук: "пат-пат-пат". Эффект "пат-пат" - ритмичного сжатия и расширения металлической гофрированной емкости-сильфона - оказался очень важным для обеспечения работы космических двигателей. Он описывается сложными уравнениями 5-7 степеней. С докладом на эту тему в 1963 г. в Москве выступили американские математики Дж. Финн и Р. Керл. Но Керл увлекался спелеологией. И он доказал, что "пещерное дыхание" имеет такую же природу. Только движителем для него служит не свечка, а процесс конденсации, приводящий к нелинейному выделению некоторых количеств тепла. Воздух в пещере то сжимается, то расширяется - пещера "дышит".
Почти одновременно к такому же выводу на большом фактическом материале по пещерам Крыма пришел и автор: на лентах термографов и гигрографов зафиксированы мелкие пульсации температуры и влажности, хорошо коррелирующиеся с "дыханием" пещер.
Направления движения воздуха в пещерах являются хорошим поисковым признаком. Сотни крупных полостей были открыты зимой, по проталинам в снегу, которые возникают на выходе теплого пещерного воздуха, или напротив,- по струе холодного воздуха, вырывающейся из незаметной щели в борту воронки. Иногда возникали и более сложные ситуации. В 50-60 гг. близ г. Сочи было описано несколько довольно крупных пещер: Воронцовская, Лабиринтовая, Кабаний провал, Долгая, расположенные на разных отметках (перепад до 50 м). Воронцовскую и Лабиринтовую пещеры удалось соединить довольно быстро, пройдя небольшой сифон. Поиск здесь проводился круглый год, поэтому спелеологи скоро заметили удивительную особенность Лабиринтовой пещеры: поток воздуха всегда только выходил из нее... В 1979 г. мы обсудили этот феномен на семинаре старших инструкторов и пришли к выводу, что необходимо искать связь Лабиринтовой с более высоко расположенным Кабаньим провалом. После разборки глыбового навала у входа и преодоления нескольких полусифонов она была действительно установлена. Возникла Воронцовская система протяженностью 10,6 км. Ее связь с Долгой пещерой сомнений не вызывает, но "просочиться" через узкие щели спелеологам пока не удалось.
Движение воздуха под землей, к ужасу метеорологов-классиков, иногда подчиняется законам гидравлики. Здесь "работают" уравнение неразрывности потока (в расширениях скорость движения меньше, в сужениях - больше) и закон Бернулли, учитывающий давление воздуха, скорость его движения, высотное положение разных частей изогнутого канала и наличие местных сопротивлений (поворотов, расширений и пр.). Хорошие расчетные зависимости для определения теплового режима и степени проветриваемости рудников разработаны в горном деле. Применив их к спелеологии, мы поняли многие, ранее считавшиеся загадочными, явления. Например, во всех 150 карстовых полостях нижнего плато Чатырдаг (Крым) тяга "опрокинута", то есть летом наблюдается "зимнее", а зимой - "летнее" движение воздуха. Объясняется это явление тем, что пещеры нижнего плато, находящиеся на высоте 700-900 м над уровнем моря, связаны непроходимыми для человека трещинами с колодцами и шахтами верхнего плато (1100-1500 м). Вскоре этот вывод был подтвержден инструментально: на склоне Чатырдага, на высоте около 300 м, в разгар лета был обнаружен выход холодного воздуха с температурой +5 °С, хотя в пещерах нижнего плато она даже зимой много выше (8,5-9,5°С).
К статическому типу относятся так называемые "холодные и теплые мешки" (рис. 56). Это одновходовые полости, слабо связанные трещинными системами с поверхностью. К "холодным мешкам" относятся нивально-коррозионные колодцы и шахты, а также пещеры-поноры. Зимой всегда (а летом - ночью) охлажденный, более плотный наружный воздух заполняет их до уровня входа. Летом теплый воздух может прогреть только верхнюю часть полости. Нижняя ее часть прогревается очень медленно - за счет теплопередачи через стенки и постепенно возникающего местного конвективного теплообмена. Средняя годовая температура в таких полостях составляет -3 -6 °С. Поэтому в них часто возникают скопления снега и образуется пещерный лед.
К "теплым мешкам" относятся древние, ныне осушенные пещеры-источники. Заполняющий их теплый летний воздух зимой охлаждается только за счет теплопроводности стенок. Их средняя годовая температура составляет 8-10 °С, а температура теплого сезона - 14-16 °С. Главная причина возникновения движения воздуха в таких полостях - изменение атмосферного давления. При его увеличении возникает слабая тяга внутрь, уменьшении - наружу. Интенсивность тяги, естественно, невелика, а коэффициент воздухообмена обычно не превышает единицы. Ощутимый "барометрический ветер" возникает только в случае, если очень крупные статические полости-лабиринты соединяются с поверхностью узким каналом. В пещере Винд (США) скорость тяги в сужениях достигает 150 км в час (40 м/с).
7.3. Человек-термостат
В жару и в мороз температура тела здорового человека почти неизменна. Это определяется свойствами воды, из которой в основном состоит наш организм. Удельная теплоемкость воды (кал/г °С) зависит от температуры, имея минимум при 36-37 °С. Поддержание постоянных тепловых параметров - условие нормального протекания биологического процесса при любых внешних условиях. Однако если для химических реакций характерно повышение их скорости с ростом температуры, то для биологических процессов существует оптимальный минимум теплозатрат. Кровь и лимфа, циркулирующие по телу,- прекрасные теплоносители, они способствуют превращению организма человека в подвижный физиологический термостат с саморегулированием.
Но человек все время перемещается, попадая в разные внешние условия. Мы уже видели, что спелеологические объекты располагаются во всех климатических поясах от экваториального до арктического и антарктического (рис. 48) и на разных высотах (от +6 +1 км, пещера Ракиот в Гималаях, до -3 -4 км, золото- и уранодобывающая шахта Витватерсранд в Южной Африке). Они контактируют с двумя зонами атмосферы тропосферой (0:+7 км) и подземной тропосферой (0:4 км), особенности которых изучают науки географического цикла. В пределах этих зон все метеорологические параметры испытывают сильные колебания.
Атмосферное давление меняется от 300 (на высоте 7 км) до 350 (на уровне моря) и даже 1125 мм рт. ст. (на глубине 4 км) Работая в зоне индифферентности (0 +2000 м), спелеологи не замечают особых изменении в своем организме, в зоне полной компенсации (+2000 +4000 м) организм начинает работать нормально только после нескольких дней акклиматизации, в зоне неполной компенсации (выше 4000 м) у многих могут наблюдаться признаки горной болезни - гипоксии. С ее проявлениями можно столкнуться при изучении карстовых (Сыйкырдуу, +4600 м) и ледниковых (Памир, 5900...6100 м) пещер Таджикистана. Проявления горной болезни индивидуальны (встречаются не у всех членов группы или в разное время), а границы - возрастают с увеличением континентальности климата (Альпы - +2800, Кавказ - +3400, Тянь-Шань - +4100, Тибет и Гималаи - +5500 м).
Температура воздуха на поверхности моря в разных климатических поясах колеблется от -65 до +34 °С. А к верхней границе тропосферы убывает (средний градиент 0,5 °/100 м). В подземной тропосфере, начиная с некоторой глубины (10-25 м), она нарастает от среднегодовой температуры местности (геотермический градиент +3°С/100 м). Таким образом, при отсутствии искусственной вентиляции температура в шахтах на глубине более 1 км должна превышать 30 °С.
Абсолютная влажность воздуха уменьшается с высотой от 20-30 мм рт. ст. на уровне моря до 0,3-0,5 мм рт. ст. на высоте 5-7 км.
Газовый состав воздуха. У земной поверхности сухой воздух содержит 78,08 объемных % азота, 20,95% - кислорода, 0,93% - аргона, 0,03% - углекислого газа, 0,015% - иных газов (криптон, ксенон, гелий, водород, радон, метан и пр.). Местами воздух обогащается другими газами и соединениями, которые образуются при сгорании топлива. Соотношение основных компонентов воздуха с высотой не меняется.
В состав атмосферного воздуха входят также аэрозоли - твердые и жидкие частицы разного происхождения, имеющие диаметр 0,001-5 мкм, различные бактерии и пр. Их количество максимально в приземном слое и уменьшается с высотой. Так, например, в 1 м3 солдатской казармы содержится 220 000 микроорганизмов-сапрофитов, в больничной палате - 40000, а на высоте 4 км - всего 330. Часть молекул атмосферных газов и аэрозолей несет электрический заряд. С высотой содержание ионов в воздухе возрастает.
Атмосферный воздух находится в непрерывном движении. Его активное перемешивание обеспечивают ветры. До высоты 1000 м за счет трения сила ветра испытывает сильные колебания (0-30 м/с), а с высотой возрастает, достигая ураганной силы (свыше 30 м/с).
Человек на открытом воздухе подвергается воздействию не средних состояний всех метеоэлементов, а их реальному сочетанию, то есть влиянию погоды. В любой точке земли погода определяет состояние человека, которое врачи оценивают по 7-балльной шкале: очень холодно, холодно, прохладно, комфортно, тепло, жарко, очень жарко. "Термостат" человека реагирует на его ощущения специфическими терморегуляторными реакциями: потоотделением или дрожью, изменениями пульса и дыхания; а сам человек - действиями: изменением позы, снятием теплой одежды и пр. Но как поведет себя организм человека в чуждой ему среде карстовых полостей? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо изучить особенности пещерной среды. Этим занимается специальная наука - спелеометеорология.
Известный французский спелеолог Ф. Тромб в 50-е гг. построил график, наглядно иллюстрирующий микроклиматические условия пещер через соотношение температуры, абсолютной и относительной влажности воздуха (рис. 57). В пределах каких полей чаще всего приходится работать под землей? Ответ на этот вопрос дают многочисленные наблюдения, выполненные в разных карстовых полостях мира.
Рис. 57. Наиболее вероятные микроклиматические условия проведения спелеологических исследований (по Ф. Тромбу, с дополнениями автора).Условия пребывания под землей: 1 - холодно, влажно; 2 - холодно, очень влажно; 3 - изнуряюще жарко; 4 - холодно; 5 - прохладно; 6 - нормально; 7 - жарко; 8 - возбуждающе; 9 - раздражающе жарко
Температура воздуха в пещерах колеблется в очень широких пределах: от отрицательных (-20...-40 °С) в ледниковых полостях полярных и горных стран до положительных (+25...+38 °С) в полостях тропиков и субтропиков, а также в глубоких искусственных выработках. Американские спелеологи Мур и Сюлливан предложили формулу, связывающую температуру в нейтральной части пещер (Т, °С) с широтой местности (L, °) и высотой над уровнем моря (Н, м):
T = 38 - 0,6L - 0,002H
Естественно, это средние цифры, зависящие от местных условий, геотермических особенностей региона, морфологии пещер, интенсивности их проветривания и пр.