Спелео

Факты это еще не вся правда!

Есть в стороне киммериян пустая гора с каменистой
Мрачной пещерой. Издавна там Сон обитает ленивый,
Феб не сияет, лишь тонкий туман, от земли поднимаясь,
Влажною стелется мглой, и сумрак сомнительный светит.
Медленной струйкой Летийский ручей, по хрящу пробираясь,
Слабым, чуть слышным журчаньем наводит дремоту.

Так писал Овидий Назон в «Превращениях». Но что вызывает эту дремоту? Только ли убаюкивающее журчание ручья? Или, быть может, углекислый газ? Ведь головная боль, шум в ушах, угнетенное, полудремотное состояние это симптомы углекислотного отравления! Первое время мы очень боялись встретиться со скоплениями углекислого газа в шахтах и пещерах Крыма. Обязательным спутником спелеолога был фонарь «летучая мышь». Пригасание его пламени должно было предупредить нас об опасности. Но годы шли, под землей дышалось легко, и наши опасения постепенно рассеялись. Однако, завершая маршрутное обследование вертикальных полостей Главной гряды, мы все же решили опробовать самые глубокие из них на газовый состав воздуха.

Техника отбора проб несложна: обычная бутылка до пробки заполняется концентрированным, прокипяченным и остуженным до комнатной температуры раствором поваренной соли. На нужной глубине пробку открывают, раствор выливается, а вместо него в бутылку заходит пещерный воздух. Затвором для него служит не только резиновая пробка, но и 100150 кубических сантиметров рассола, оставленные в бутылке. Нелегко нести в рюкзаках вниз по шаткой лестнице тяжелые литровые бутылки с пробами. Ведь транспортировать их можно теперь только горлышком вниз! Так или иначе, но пробы отобраны, благополучно доставлены в Симферополь и сданы на анализ в лабораторию «Крымнефтегазразведки». Результаты были неожиданные: во всех обследованных полостях содержание углекислого газа оказалось в 1015 раз выше, чем в атмосферном воздухе у поверхности земли! Такая концентрация СО2 человеком не ощущается и не опасна для жизни. Но в чем причина повышенного содержания углекислого газа? Вероятно, разложение органических веществ, содержащихся в древесине, листьях, гумусе, решили мы. Однако в нескольких шахтах и пещерах Крыма, в том числе в Бездонном на Агармыше, Ходе Конем на Чатырдаге, Молодежной и Профсоюзной на Караби, в воздухе оказалось до 57 процентов СО2. Это уже опасная для жизни концентрация. Объяснить такое высокое содержание СО2 окислительными процессами невозможно.

Мы занялись анализом этого непонятного явления. Оказалось, что в воздухе карстовых полостей содержится не только больше углекислого газа, чем в атмосферном воздухе, но и больше азота, а иногда даже появляются доли процента метана. Такие изменения в составе воздуха пещер можно объяснить только подтоком сухих струй газа азотноуглекислого или азотнометанового состава из цоколя Главной горной гряды. Но единственные пути движения таких газовых струй в монолитных верхнеюрских известняках это трещиноватые зоны близ крупных разломных нарушений. Так газовый состав воздуха карстовых полостей дал нам еще один ключик в поисках тектонических нарушений. В дальнейшем выяснилось, что газовый состав воздуха в некоторых шахтах Крыма меняется по сезонам. Это можно было объяснить только особенностями циркуляции воздуха в карстовых полостях, их микроклиматом, изучением которого наш небольшой отряд занимался уже много лет. Сыро, холодно, влажно эти общие оценки надо забыть, говорил нам когдато В. Н. Дахнов. И нам, геофизикам, и вам, карстологам, нужна конкретная оценка, основанная на фактах. Но помните: факты это еще не вся правда, а только сырье для ее получения. Фактов накопилось достаточно. Основным оружием в этой охоте за цифрами были два несложных прибора: психрометр и анемометр. Психрометр не имеет ничего общего с «психе» душой. Название его происходит от греческого «психрос» холодный. Но измеряет он не столько температуру (для этого пригоден обычный термометр), сколько влажность. На шарик одного из двух расположенных рядом, в общем кожухе, термометров надевается батистовый чехол, смоченный водой из специальной пипетки. Затем включается маленький вентилятор, заводящийся как часы, и втягиваемый им воздух начинает испарять влагу вокруг шарика смоченного термометра. Ртутный столбик термометра опускается тем ниже, чем больше влаги испарится со смоченного водой батиста. А величина испарения зависит от содержания влаги в воздухе. Одновременно по барометру измеряется атмосферное давление.

На этом функции наблюдателя окончены. Он записывает показания обоих термометров и вводит в них поправки, указанные в паспортах. Гораздо сложнее камеральная обработка. Привести атмосферное давление у входа в полость к стандартным условиям (1000 миллибар), определить по таблице и ввести в показания смоченного термометра поправку на давление и температуру, рассчитать по показателям сухого и влажного термометров абсолютную и относительную влажность, дефицит насыщения и содержание водяных паров в кубическом метре воздуха... И так 65 тысяч раз. Именно столько измерений было сделано за восемь лет в карстовых полостях Крыма сотрудниками шахтного отряда и спелеологами. В десятках глубоких полостей Караби, Ай-Петри и Чатырдага на многие сутки устанавливались самопишущие приборы, которые регистрировали изменения температуры, влажности воздуха и атмосферного давления в течение суток, недель, целых сезонов. Результаты первой обработки всего этого огромного материала были неутешительными. Микроклиматические характеристики расположенных рядом полостей оказались совершенно несопоставимыми.

Что ни город, то норов, мрачно шутил Вадим Душевский. Изменения температуры и влажности воздуха в каждой новой, исследованной нами шахте, казалось, подчинялись своим, особым закономерностям, а сводные графики, построенные для отдельных горных массивов, были похожи на звездное небо. Не лучше обстояло дело и с определением скорости движения воздуха в карстовых полостях Крыма. Наш постоянный спутник, крыльчатый анемометр, рассчитан на скорость воздушного потока не ниже 0,1 метра в секунду. С такими скоростями можно столкнуться лишь в пещерах. В большинстве шахт всегда чувствуется легкое дуновение воздуха, но его недостаточно, чтобы преодолеть инерцию покоя крыльчатки, укрепленной на тонкой струне. Решение проблемы пришло неожиданно. Инженертеплотехник Виктор Шпиллер из Николаева както заглянул к нам на огонек, когда мы стояли лагерем у Красной пещеры. Разговорились. Зашла речь о трудностях теплотехнических расчетов под землей. И он мимоходом подал хорошую идею.

Используйте уравнение неразрывности потока Бернулли. А для замеров приспособьте контрольное сечение. Остальное было делом времени. Ворох книг, несколько бессонных ночей и вот составлена номограмма, позволяющая приводить скорость движения воздушного потока в замеренном узком контрольном сечении к сечению полости любого размера. Оказалось, что средняя скорость воздушного потока в средней по размеру шахте Крыма составляет всего шесть тысячных метра в секунду!

Со временем удалось покончить и со «звездным небом». Сперва мы подметили, что в колодцах с широким входом и прямым стволом воздух всегда холоднее, чем в полости такой же глубины, но имеющей узкий вход и несколько уступов. Затем обратили внимание на зависимость между тем, как ориентирован вход в пещеру по отношению к преобладающим направлениям ветра, и влажностью воздуха под землей. Постепенно «звездное небо», состоящее из точек наблюдений, сделанных в разных полостях одного массива, стало распадаться на поля, характеризующие температуру и влажность в карстовых полостях определенных размеров и конфигурации. А еще через несколько месяцев напряженной работы для каждого из морфологических типов карстовых полостей были выведены расчетные зависимости, связывающие температуру и влажность в любой точке пещеры с положением этой точки относительно входа. Нрав каждого из наших спелеологических городов получил точную математическую характеристику.