В.Н. Дублянский, Пермский госуниверситет
Ю.В. Дублянский, Институт минералогии и петрографии СО РАН, Новосибирск

Проблема конденсации в карстоведении и спелеологии

Опубликовано:
Пещеры: Межвуз. сб. науч. тр. / Перм. ун-т. - Пермь, 2001

История гидрогеологии свидетельствует, что первые высказывания о возможностях "сгущения" под землей воздуха или водяных паров с образованием конденсационных вод принадлежат Фалесу Милетскому, Эмпедоклу и Аристотелю (570-322 гг. до н. э.). Марк Витрувий Поллио (1 в. н. э.) допускал также конденсацию влаги из паров горячих вод, поднимающихся из глубины Земли. Последующие 15 веков были периодом застоя научной мысли, так как явления природы толковались в соответствии с догмами богословия. Лишь в XVI-XVIII вв. Г. Агрикола, Р. Декарт и А. Кирхер заново ввели в научный обиход идеи натурофилософов древности [33].

Конденсационная гипотеза формирования подземных вод была сформулирована в 1877 г. О. Фольгером. Однако она была подвергнута серьезной критике [56] и после недолгой дискуссии отвергнута. Ее возрождению способствовали слабо известные за границами России работы А.Ф. Лебедева (1908-1926 гг.). Согласно парадигме, предложенной Лебедевым [26], для конденсации не обязательна "прокачка" через поры и трещины горных пород большого количества воздуха. Водяной пар самостоятельно перемещается от областей с большим к областям с меньшим парциальным давлением водяного пара и температурой воздуха. Парадигма А. Ф. Лебедева более 70 лет лежала в основе большинства проводимых исследований. Из нее следует, что в теплый период в карстовых полостях теоретически возможна конденсация, а в холодный - испарение (рис. 1).

Рис.1. Ход абсолютной влажности (мм рт. ст.) на поверхности (e_пов) и под землей, в нейтральной зоне карстовых полостей (e_подз). T - продолжительность конденсации, сут;
(e_пов- e_подз) - градиент абсолютной влажности воздуха, мм рт. ст.

В 30-80-е гг. XX в. по проблеме конденсации опубликовано около 1000 научных статей [23]. 10% исследователей считает конденсацию атмосферной влаги под землей невозможной, 30% полагает, что конденсация теплого периода компенсируется испарением холодного и ее роль в водном балансе незначительна, 50 % отводит ей некоторую роль в водном балансе, но от количественных оценок воздерживается и лишь 10% признает ее существенное гидрогеологическое значение.

В современной справочной и методической литературе отмечается, что "в связи со сложностью и трудоемкостью количественного определения конденсации при балансовых исследованиях ее учитывать пока нецелесообразно" [2, с. 120]; "вследствие практических затруднений определения конденсация условно учитывается вместе с осадками и испарением" [33, с. 89] и др.

Расходятся и мнения карстоведов о роли конденсации: Е. Мартель [60] отвергает ее возможность, Ф. Тромб [71] и Н. А. Гвоздецкий [5] придают ей значительную, а Б. А. Гергедава [6] - даже главенствующую роль в спелеогенезе. В фундаментальной сводке Д. Форда и А. Вильямса [54] упоминается только, что конденсация имеет сезонный ход, а конденсационные воды производят значительную коррозионную работу.

Многолетние исследования карста Крыма, Кавказа и других регионов бывшего СССР свидетельствуют о большой роли конденсации в формировании карстовых вод и спелеогенезе. Объем статьи не позволяет привести все литературные ссылки (даются только основные, остальные характеризуются через библиографический указатель [23]), а также привести конкретные данные о физико-географических условиях проведения исследований (авторы оперируют статистическими данными (средними и коэффициентами их вариации), изложить детали использованных методик (приводятся только основные их положения).

Для облегчения понимания содержания статьи определим базовые понятия. Конденсация - это переход водяного пара, находящегося в воздухе, в жидкое (собственно конденсация) или в твердое (сублимация) состояние; наблюдается он в атмосфере, на поверхности земли, воды и различных предметов, а также - внутри почвы и горных пород [45]. Кроме конденсации может происходить сорбция [40]: поглощение влаги на поверхности твердого тела или на разделе пар-жидкость (адсорбция), объемное поглощение водой или твердым телом (абсорбция) и поглощение влаги с образованием химического соединения (хемосорбция). При сжижении водяного пара, поступающего из нижней части зоны аэрации, из подземной атмосферы или с уровня холодных или горячих подземных вод, применяется термин дистилляция.

В разных разделах работы, в зависимости от контекста, говорится о парциальном давлении водяного пара (e, мб, мм рт. ст. или Па) либо о влагосодержании воздуха (e, г/м³), которое в диапазоне температур, характерных для карстовых полостей мира, приближенно равно парциальному давлению, выраженному в мм рт. ст.

Анализ проблемы позволяет выделить четыре уровня исследований (глобальный, региональный, локальный и объектный), на которых целесообразно использование разных методических подходов и приемов изучения конденсации. Данные, полученные на одном уровне, не всегда транспонируются на другой [33].

Изучение конденсации на глобальном уровне

На глобальном уровне оценивается возможность прохождения конденсации в пределах всего Земного шара, на разных широтах и высотах ([9], рис. 2). Для построения графиков использованы данные о широтном и высотном распределениях абсолютной влажности атмосферного воздуха [45] и о ее распределении в карстовых полостях мира, находящихся на разных широтах и высотах [48, 63]. В теплый период (июль) на широтах от 25 до 70° происходит конденсация, на более низких широтах сменяющаяся испарением; в холодный период (январь) повсеместно под землей наблюдается испарение влаги. Интенсивность конденсации и испарения меняется с высотой. Рисунок 2 свидетельствует о потенциальной возможности конденсации. Ее реальная величина зависит от положения полости в пределах той или иной климатической зоны, прохождения циклонов и антициклонов и многих других причин. Требует уточнения и количественный аспект проблемы: в какой степени испарение холодного периода компенсирует конденсацию теплого. Данные, приведенные ниже, свидетельствуют, что мнение об интенсивном зимнем выносе влаги из карстовых массивов нуждается в корректировке.

Изучение конденсации на региональном уровне

На региональном уровне оценивается возможность прохождения конденсации в пределах горных сооружений (например Крым) или отдельных карстовых массивов (например Алекский). Прохождение конденсации на этом уровне подтверждает ряд факторов: существование малодебитных, но постоянных источников на изолированных карстово-эрозионных и структурно-денудационных оcтанцах, близ горных вершин, перевалов, в таких условиях, где инфильтрационное питание весьма невелико [11, 15, 36, 39 и др.].

Постоянство меженных расходов карстовых источников

В зависимости от положения в пределах разных гидродинамических зон [28] карстовые источники в летнюю межень характеризуются плавной кривой убывания расходов, соответствующей сработке емкостных запасов, содержащихся в каверновых, трещинных и поровых коллекторах (модели опорожнения массива).

Известен ряд аппроксимирующих зависимостей, нередко имеющих вид Q = Q₀·e^-at [54]. Однако значительно чаще нижняя ветвь кривой расходов после достижения определенного минимума (n·10° л/с) носит прямолинейный характер на протяжении длительного времени (1-4 месяца). Это дало основание Ф. Иенко [58] говорить о постоянстве меженных расходов источников Динарского карста. Таким же постоянством обладают источники Крыма, Кавказа и других карстовых районов бывшего СССР [14].

Анализ суточных лент самописцев за теплый период 1963-1988 гг. по р. Краснопещерной (Крым) выявил тонкую структуру изменений расходов источников в межень, не фиксируемую Гидрометеослужбой, так как она вела расчеты только средних расходов. При среднем расходе 6 л/с он менялся на протяжении суток от 4 до 8 л/с (рис. 3). Таким образом, происходит не просто сработка запасов карстовых вод. На нее накладывается какой-то динамический процесс, обусловливающий стабилизацию расхода источников на определенном (различном для каждого источника) уровне. Так как ход процесса одинаков в источниках, находящихся на разных высотах, вне зависимости от наличия и состава растительности, могущей дать “транспирационный ход" расхода, этим процессом может быть только конденсация. В районе Красной пещеры изменения расходов источников, вызванные влиянием приливных сил [20], не выявлены.

Гидрометеорологические данные

Многолетние наблюдения над расходами 15 источников Крыма и 6 источников Зап. Кавказа, расположенных на абсолютной высоте от 30 до 1800 м и имеющих расход от 0,12 до 8,660 л/с, показали наличие связи между их расходами в межень (при отсутствии осадков 1-4 месяца), температурой (t_возд, °C) и влажностью воздуха (e, мм рт. ст.). Для теплых периодов 1965-1994 гг. (июль-август) доказано наличие внутрисуточного хода расходов (Q, л/с), температуры воды (t_вод, °C) и изменений параметров атмосферного воздуха (t_возд, °C; e, мм рт. ст.). Связи между ними характеризуются статистически значимыми коэффициентами корреляции (0,77-0,99 ± 0,05-0,21), достигающими наибольших значений при периоде добегания (величине сдвижки) от 1 до 15 ч (рис. 4, табл. 1). Температура воды меняется в течение суток почти синхронно изменениям расхода, слабо коррелируясь с изменениями температуры воздуха. Можно предположить, что именно она является регулятором температуры при конденсации (теплоемкость воды в 4-5 раз выше, чем теплоемкость пород, в которых происходит конденсация - 0,18-0,24 кал/г·град).

Инженерно-геологические данные

В 70-90 гг. XX в. появились данные о конденсационных процессах, возникающих при застройке закарстованных территорий (жилые и промышленные сооружения, асфальтовые и бетонные покрытия, насыпи, аэродромы и пр.) [4 и др.]. Многие исследователи считают конденсацию основным, активным, систематическим фактором развития подтопления [38].

Для определения количеств влаги на региональном уровне используют балансовые, микроклиматические и расчетные методы.

Балансовые методы. В Горном Крыму неоднократно предпринимались попытки определения конденсации из уравнения водного баланса (как разности осадки минус испарение и сток [7, 11 и др.]). Эти методы некорректны, так как вероятная величина конденсации сопоставима с ошибкой определения других элементов баланса (10-15 %).

Микроклиматический метод. Основывается на формуле В. Н. Оболенского [32] с поправкой В. Н. Дублянского [10]:

                                                                  А = V·E· (e_пов - e_подз)·T·J,                                                    (1)

где А - количество конденсата, г; V - объем активной части карстового массива, м³(определяется по топографической и геологической картам c учетом глубины развитых здесь карстовых полостей); E - степень трещинно-карстовой пустотности, доли единицы (определяются геологическими, геофизическими или геохимическими методами по плотности трещиноватости и объему карстовых полостей; (e_пов - e_подз) - разность влагосодержаний воздуха на поверхности и под землей, г/м³ (определяется по рис. 1); Т - продолжительность периода конденсаци, сут (определяется по рис. 2); J - интенсивность воздухообмена, раз/сут (определяется в карстовых полостях, приведенным к средним для массива размерам трещин и пустот по специальной номограмме [ 10]).

Этим методом рассчитаны количества влаги на 16 разных карстовых массивах площадью от 2,7 до 495 км²(табл. 2). Средний модуль конденсационного стока составляет 1,86 л/с×км² (в расчете на год) или 4,54 л/с·км² (в расчете на период конденсации). Среднее распределение количеств конденсационной влаги по месяцам: IV -1, V - 22, VI - 24, VII - 30, VIII - 22, IX - 1%. Изучение хода конденсации в трещинно-каверновых коллекторах Бзыбского массива (Зап. Кавказ) показало, что с высотой разность (e_пов - e_подз) убывает с 26 (уровень моря) до 21 мм рт. ст (2600 м), а Т, напротив, возрастает со 150 до 210 сут. Поэтому динамические параметры конденсации (e_пов - e_подз)·T до высоты 1100 м уменьшаются, а с 1100 м - увеличиваются (рис. 2Б).

Несмотря на явные недостатки этого метода (сложность определения отдельных параметров, недоучет диффузии водяных паров, не зависящей от движения воздуха и пр.), он дает хорошие результаты. Проверка его на режимном блоке Красной пещеры (Крым) независимым методом (по меженному расходу источников) дала расхождение 10%, что вполне допустимо.

Расчетные методы. В 1938-1986 гг. были предложены расчетные методы для определения конденсации в пределах карстовых массивов [30, 42 и др.]. Они обладают рядом сходных недостатков: пригодны для слишком общих или, напротив, частных расчетов, не учитывают особенностей аэро- и гидродинамики эпикарстовой зоны, содержат трудноопределимые члены (коэффициенты, учитывающие состояние воды, на поверхности которой происходит конденсация, эффективная площадь испаряющей поверхности, давление воды в подземном растворе, сосущая сила влаги в атмосферном воздухе и пр.).

Использование микроклиматического метода позволило определить роль конденсации в питании карстовых вод ряда горных массивов бывшего СССР (табл. 2). Из таблицы следует, что на конкретных карстовых массивах конденсация составляет от 0,1 до 9,1 % годовой нормы осадков (среднее 3,5%, C_V = 0,73). Средний годовой модуль конденсационного стока составляет 1,86 л/с·км² (С_V= 0,79). Однако конденсация происходит только в теплый период. Поэтому практический смысл приобретает определение сезонного модуля стока, который повышается от 0,11 до 4,54 л/с·км². Эта величина хорошо коррелируется с меженными расходами источников указанных массивов (r = 0,70-0,80), подтверждая, таким образом, данные, приведенные на рис. 3. Расчет конденсации, произведенный по микроклиматическим данным, позволяет вскрыть интересные особенности формирования конденсационных вод в разных высотных зонах карстовых массивов (рис. 5).

В формулу для расчета конденсации (1) входят статические (V, E) и динамические (e_пов - e_подз, T, J) члены. С высотой величина (e_пов - e_подз) снижается, а T- возрастает. В результате на высоте 800-1600 м возникает минимум, а ниже 800 и выше 1600 м - два максимума конденсации. Это хорошо подтверждается наличием здесь малодебитных источников, имеющих ничтожные инфильтрационные водосборы (Багья, табл. 1).

Приведенные материалы далеко не исчерпывают всех вопросов, возникающих при изучении конденсации на региональном уровне. Большой интерес представляет изучение годового хода конденсационных процессов в разных высотных зонах для карстовых массивов, покрытых разной растительностью, для высокогорного карста, изменений в нем, вызванный прохождением атмосферных фронтов и пр.

Изучение конденсации на локальном уровне

На локальном уровне оценивается прохождение конденсации в отдельных карстовых полостях, а также - на отторженцах, питающих источники. Из историко-археологической литературы известно, что конденсационной водой, образующейся в естественных глыбовых развалах и специально сложенных кучах щебня, пользовались жители античных и средневековых поселений Южной Европы и Центральной Азии [3, 19, 21, 23, 42, 44 и др.]. Известны случаи, когда разборка развалов и изолированных известняковых отторженцев на щебень для дорожного строительства приводила к уменьшению расходов и даже полному исчезновению конденсационных источников (Крым, Гаспринский исар, Морчека и пр.).

В 60-90 гг. спелеологическими наблюдениями доказано существование зон конденсации в различных по расположению, морфологии и микроклимату карстовых пещер и искусственных выработок Земного шара [11, 18, 27, 35, 36, 43,47, 55, 68 и др.].

Потенциальную возможность прохождения конденсации в карстовых полостях можно оценить по соотношению (е_пов - е_подз). Микроклиматические наблюдения в 290 пещерах Крыма и Зап. Кавказа (более тысячи единовременных замеров, более 5 тыс. суточных лент самописцев-барографов, термографов, гигрографов) доказали наличие конденсации и особенности ее суточного, недельного и месячного хода [46, 47, 51 и др.]. В теплый период в карстовых полостях наблюдается конденсация, возрастающая в июле-августе. В холодный период преобладает испарение, хотя в отдельных ситуациях фиксируется и конденсация. Ее суточный ход коррелируется с ходом температуры и влажности на поверхности, максимум отмечается в 10-16 ч, минимум в 22-02 ч. Прохождение процессов конденсации и хемосорбции в пещерах и рудниках, заложенных в породах повышенной гигроскопичности (каменная и калийная соли, сода и пр.), отмечали Г. А. Максимович [28], Г. В. Короткевич [24], Ю. П. Еременко [ 18], Г. В. Бельтюков [1] и ряд других исследователей.

В соляных рудниках Приуралья объем конденсации достигает 50 тыс. м³ в год. Изучение конденсации на локальном уровне позволило выявить новые возможности формирования влаги из паров воздуха под землей.

Особый интерес представляет дистилляция ("зимняя конденсация"). Конденсация теплого периода происходит с привносом влаги из атмосферы. В холодный период существенного выноса ее из карстового массива не происходит, так как испаряющаяся в глубине массива влага конденсируется в пределах эпикарстовой зоны и в толще покрывающего массив снега (рис.6). Возникает "малый круговорот влаги", не пополняющий ее общие запасы в массиве, но способствующей активному прохождению конденсационных процессов. Зимняя конденсация поддерживает подземный сток высокоширотных и высокогорных карстовых массивов в то время, когда они лишены питания жидкими осадками. Снег на некоторых из них не тает 3-5 месяцев, достигая мощности 6-12 м (Бзыбский массив). Однако под землей наблюдается незначительный подземный сток, хорошо коррелирующийся с изменениями отрицательных температур воздуха на поверхности. Предположение о том, что он - результат поступления тепла из недр земли, было снято после проведения микроклиматической съемки. Карстовые массивы - это глубоко охлажденные структуры, действие геотермического градиента в которых начинает сказываться только на очень большой глубине. "Зимняя конденсация" была выявлена и на Пинего-Кулойском карстовом районе на севере России [29]. В гипсовой Кулогорской пещере на протяжении 11 суток фиксировалось образование капель конденсата при температуре воздуха на поверхности от -42° до -7°C. Зимняя конденсация хорошо изучена в Кунгурской пещере [12].

Открытие "зимней конденсации" требует теоретического осмысления. Очевидно, это именно тот механизм, который препятствует повсеместному зимнему испарению влаги из карстовых массивов (площадь открытых входов в карстовые полости, через которые свободно осуществляется такой вынос, пренебрежимо мала по сравнению с общей их площадью).

Особый случай - гидротермальная конденсация, протекающая над поверхностью термальных карстовых вод. В результате возникают шарообразные полости, хорошо изученные в Венгрии (рис. 2 Б, 7 [17 и др.]) и в других карстовых районах мира. Теоретическое моделирование [ 17, 70] показало, что конденсация в таких условиях является самозатухающим процессом. Это связано с низкой теплопроводностью вмещающих пород, что приводит к быстрому повышению температуры конденсирующих поверхностей. Однако, если имеется даже незначительная вентиляция, гидротермальная конденсация может стать мощным карстообразуюшим фактором. Яркие примеры процессов испарения, конвективного переноса и конденсационной коррозии известны в пещере Гротта Гиусти в Италии. Температура воздуха в верхних этажах пещеры составляет 20°C, а воды в термальных озерах - 32-34°C. Конденсация в пещере оценивается в 98400 л/сут, а интенсивность растворения стенок пещеры конденсатом - в 630 г/сут[50].

При изучении конденсации на локальном уровне кроме рассмотренных выше общих вопросов (положение пещеры на разной высоте, в разных широтных зонах, наличие годового, сезонного и суточного хода процесса конденсации, влияние погодных изменений на поверхности и пр.) возникает много частных, но очень важных, требующих специального изучения. Среди них - образование конденсационной влаги из "туманов смешивания", особенности конденсации в сужениях пещер за счет увеличения скорости воздушного потока, понижения давления и температуры, влияние льда (при этом начинаются процессы сублимации) и пр.

Изучение конденсации на объектном уровне

На объектном уровне изучение конденсации производится на разных участках пещер (в отдельных залах, в привходовой части и пр.), на конденсационных установках различных размеров и конструкции, а также при проведении специальных работ (изучение условий образования различных минералов, обеспечение сохранности наскальной живописи и пр.).

Сведений о прохождении конденсации на объектном уровне очень много, однако преобладают описания. Так, Л. Ф. Фирсов [44] при изучении археологии средневековых пещерных городов Крыма обратил внимание на активную летнюю конденсацию в отдельных криптах (склепах). По его наблюдениям в склепе площадью 1,5 м² и объемом 5,5 м³ на 1 м² поверхности стен и сводов в июле образуется до 0,25 л воды в сутки. Он же описал несколько цистерн для сбора конденсационной воды, сооруженных в естественных (Эски-Кермен) или искусственно расширенных и покрытых специальным гидрофобным раствором углублениях (Биюк-Исар).

Прямые наблюдения за количеством конденсационной влаги образующейся в отдельных зонах, начал С. С. Прокофьев [35]. Он применил в Воронцовской пещере (Зап. Кавказ) V-образные стеклянные сборники конденсационной (частью инфильтрационной) воды. При воздухообмене в этой части пещеры 161,3·10⁶ м³/сут они давали до 1300 г влаги. Подобные наблюдения проводились во многих пещерах Европы и Азии.

Особое место среди объектных наблюдений занимает изучение конденсации в лизиметрах и конденсаторах. Оно осуществлялось в Крыму, на Кавказе, в Центральной России, на Кольском полуострове, в Южной и Восточной Сибири с помощью приборов и установок разной конструкции (металлические конусы, цилиндры, параллелепипеды, обсадные трубы, полиэтиленовые емкости и пр.), имеющих размеры от 0,01 до 1120 м³, заполненных суглинком, песком, щебенкой, галькой, гравием, глыбами известняка или других горных пород и установленных на высоте от 100 до 1100 м над уровнем моря. Они дали весьма противоречивые результаты - от 12 до 980 г влаги на 1 м³ заполнителя (табл. 3). Попытки распространить полученные данные на весь карстовый массив успеха не имели [7, 21 и др.].

Наблюдения на объектном уровне, кроме перечисленных выше индивидуальных особенностей, характерных для более высоких уровней изучения, имеет и ряд специфических. Упомянем только о необходимости учета структуры воздушных потоков (это ярко выявилось в Карлсбадской пещере при изучении условий образования попкорна [57]), возможностей переноса влаги из местных испаряющих источников (подземные реки и озера), а также - повышения роли сорбционных процессов разных видов (на т. н. молекулярную конденсацию большое влияние оказывают микроформы поверхности, "капельная" конденсация осуществляется по одним законам, хемосрбция - по другим и пр.).

Известно довольно много расчетных методов определения конденсации в отдельных карстовых полостях. Они базируются на разных теоретических предпосылках.

Первые расчеты количеств конденсационной влаги, образующейся в пещерах, выполнил в 1951 г. В. С. Лукин [27]. По его данным из каждого кубометра воздуха, проходящего через Кунгурскую ледяную пещеру, за сутки конденсируется 4600 г влаги. Наблюдения Т. И. Устиновой [43] в пяти легкодоступных пещерах Крыма дали величину, меньшую на три порядка (3 г при интенсивности воздухообмена 0,03·10⁶ м³/сут).

В 60-70 гг. детальные микроклиматические исследования были проведены в 157 карстовых полостях Крыма [26 и др.]. Они дали среднюю величину конденсации 19,9 г/ м³ (С_V = 1,45). Максимальной величины (75,8 г/м³·сут) она достигала в июле в шахтах-понорах. Для вскрытых пещер подтверждены данные Т. И. Устиновой (0,7-4,0 г/м³·сут).

В 1970-1979 гг. К. Д. Цикаришвили [46] определил суточное количество конденсационной влаги, формирующейся в Ново-Афонской пещере (4882,3 г/м³) при воздухообмене 1,7·10⁶ м³. Аналогичные работы выполнены в пещерах Румынии, Франции и других районов мира [27, 68 и др.].

В 1978-1983 гг. Д. Мюке с соавторами [65] предложили эмпирическую формулу для расчета конденсации:

где М- скорость конденсации (испарения), г/м²·час, W - скорость движения воздуха, м/с, X_S - насыщающая влажность пограничного слоя, г/кг, X_L -влажность воздуха при той же температуре, г/кг.

В 1969 г. А. Эразо [52] отметил, что при поступлении в пещеру массы воздуха, обладающей повышенной температурой и пониженной относительной влажностью, происходит его охлаждение и частичная конденсация влаги. Понижение температуры (dТ, °С) рассчитывается по формуле:

где К и S - удельная теплоемкость более влажного и более сухого воздуха ккал/м³; С_р - удельная теплоемкость воздуха, кал/г·град; у - плотность воздуха, кг/ м³. Расчеты проводятся по диаграммам состояния воздуха. Позднее схожий подход предложили В. Н. Дублянский и В. В. Илюхин [13].

В. М. Голод (1981) разработал математическую модель аэротермо-гидродинамических процессов в пещерах, находящихся в зоне аэрации. Он полагает, что процесс конденсации в силу малой интенсивности будет протекать равномерно (по линии насыщения). Поэтому изменение влагосодержания воздуха и количество конденсата dV_K можно рассчитать по уравнениям (6) и (7):

где P_H - упругость насыщенного пара; P₀ и T₀ - давление и температура в тройной точке; n - молекулярная масса водяного пара; L_K - удельная теплота конденсации; R - универсальная газовая постоянная; T_в - абсолютная температура; dQ_K - тепловой эффект конденсации; L - плотность жидкой фазы. Полное решение задачи возможно только на ЭВМ.

Термодинамический расчет, необходимый для спасения палеолитической живописи, был выполнен в пещере Ласко (Франция [54]). Он завершился созданием установки по кондиционированию воздуха.

Роль конденсации в карстологии и спелеологии

Анализ литературы по проблеме свидетельствует, что конденсация влияет на процессы, проходящие в карстосфере, вследствие увеличения количества движущейся в ней воды, увеличения размеров подземных пустот и изменения их морфологии, формирования особенностей микроклимата, образования и разрушения отложений. Материалов по всем этим направлениям пока немного и они весьма противоречивы.

Увеличение количества воды в карстосфере

Сведения, приведенные выше, позволяют сделать общее заключение, что конденсационные воды в самом благоприятном случае составляют не более 9% годовой суммы осадков (табл. 2). Однако конденсация происходит в основном в теплый период, когда осадков выпадает мало. Это повышает ее вклад в формирование меженного стока источников и рек карстового питания. Зимняя конденсация (дистилляция) не увеличивает общего количества воды в карстосфере, но повышает интенсивность ее обращения (возникают "местные круговороты"). Эти общие выводы нуждаются в уточнении на региональном и локальном уровнях исследований.

Деструктивные процессы в карстосфере

Сведения о химическом составе и свойствах конденсационных вод обычно ограничиваются высказываниями о том, что "в момент образования они обладают особой агрессивностью к горной породе" [5, 6, 47, 49, 55, 64, 67, 71 и др.]. Данные о химическом составе конденсационных вод немногочисленны. Анализировались в основном сборные пробы (до 10 тыс. капель, отобранных со сводов кисточкой или пипеткой; поступление с конденсирующих поверхностей приборов и пр.). Пробы анализировались в полевых и лабораторных условиях (определялось 6-12 компонентов). Обработка анализов производилась общепринятыми методами. Сведения о среднем составе конденсационных вод разных карстовых массивов Евразии приведены в табл. 4. Конденсационная влага имеет пеструю минерализацию (C_V до 1,15), различную в районах карбонатного, сульфатного и соляного карста. Конденсационные воды, прошедшие под землей некоторый путь (от 30 до 100 м), смешиваются с водами эпикарстовой зоны (осадков во время отбора не было 10-50 дней), имеют уже значительно более высокую минерализацию при пониженном C_V (0,25-0,60). Это свидетельствует о значительной коррозионной деятельности, которую производят конденсационные воды в верхней части эпикарстовой зоны.

Оценить роль конденсации в гидрохимическом балансе карстового массива довольно сложно и пока удалось только для массива Алек (Западный Кавказ [15]). В теплый период за счет конденсационной коррозии с него сносится 41,2 т известняков (16,2 м²), что составляет всего 3,7% от величины общей карстовой денудации. Конденсационная коррозия наиболее существенна в июле (19%) и августе (16%).

С действием конденсационных вод связано возникновение многих элементов пещерной макро-, мезо- и микроморфологии (рис. 8). Это пещеры-шары с преобладающим диаметром 1-3 м [70], купола на сводах [47, 64 и др.], расширенные трещины, ячеи, ниши, вертикальные желоба, "рифленые поверхности" и пр. [1, 49, 50, 52 и пр.]. Лучше других изучен механизм образования гидротермальных пустот [17]. Конденсационная коррозия часто развивается не только по вмещающим породам, но и по заполнителю полостей разного состава (кальцит, гипс, соль, рудные тела [57]).

Аккумулятивные процессы в карстосфере

Конденсация играет значительную роль в формировании спелеосистем разного генезиса. В капитальной сводке "Минералы пещер Мира" [57] имеется много упоминаний о связи минералообразования под землей с конденсацией. Первые сведения о конденсационном генезисе сталактитов и сталагмитов восходят к XVII в. (X. Якоб, Е. Де Клаве, Ж. Бомонт и др.). В 1964 г. X. Холланд различает в сводной схеме пещерных отложений группу, связанную с конденсацией. В 1992 г. В. Н. Андрейчук выделил конденсационный подтип в типе водных хемогенных (известковое тесто, кристаллические коры, друзы и щетки) и водных криогенных (пещерный "иней") отложений. В 1993 г. А. Г. Филиппов выделяет конденсационный подтип в отложениях субтермального и коррозионно-гравитационного типов.

К. Хилл и П. Форти [57] считают, что конденсационное происхождение могут иметь многие спелеотемы субаэрального генезиса, сложенные кальцитом, гипсом, галитом, карналлитом, нитратами: геликтиты, глинистые вермикуляции, кораллоиды, лунное молоко, покровы и коры, ориентированный попкорн, цветы. Опыт авторов свидетельствует, что этот перечень можно дополнить антодитами, иглами, конулитами, кристаллами, оторочками, эксцентриками. Значительно шире и набор форм пещерного льда, имеющих конденсационный генезис [61]. Весьма велика роль конденсации в образовании минералов из групп галитов, нитратов и фосфатов, а также специфических пещерных минеральных форм других групп. В 90-е гг. большую популярность получила конденсационно-аэрозольная гипотеза формирования пещерных отложений [22 и др.]. Таким образом, этот аспект проблемы нуждается в дальнейшей разработке.

Конденсация и микроклимат карстовых полостей

Конденсация влаги сопровождается значительным (585 ккал/кг) выделением тепла и поэтому существенно сказывается на микроклимате пещер, в частности, на конфигурации полей температуры, абсолютной влажности и энтальпии [47, 62, 68]. Одним из самых ярких ее проявлений является возникновение короткопериодических (секунды - десятки секунд) автоколебаний, накладывающихся на длиннопериодическое "пещерное дыхание" барометрической природы [11, 16, 51, 53].

Приведенные данные свидетельствуют об исключительной сложности проблемы. Сведения о конденсации приводят в своих работах не только карстоведы и спелеологи, но и метеорологи, гидрологи, гидрогеологи, гляциологи, почвоведы, лесоводы, археологи, специалисты по горному делу, строители, физики, химики и пр. Каждый из них обращает внимание на свои аспекты проблемы, использует разные методы оценки конденсации.

В мировой литературе до сих пор нет единого мнения о роли конденсации в формировании карстовых вод и морфологии карстовых форм; общепризнанная теория конденсации отсутствует; парадигмы, разработанные в начале XX в. [26], подвергаются сомнению [25, 41]; разные исследователи часто понимают под конденсацией разные процессы, происходящие в карстосфере (собственно конденсация, сорбция разных видов, молекулярная и капельная конденсация и пр.). Это и побудило авторов подготовить настоящую сводку, цель которой - привлечь внимание специалистов разных стран к проблеме конденсации. Для этого необходима не только разработка новой парадигмы, но и проведение комплекса экспедиционных и стационарных работ, в которых должны участвовать представители разных научных направлений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Бельтюков Г. В. О формировании карстовых форм за счет конденсационных вод//Пробл. комп. изуч. карста горных стран. Тбилиси-Цхалтубо, 1989.
2. Боревский Б. В., Хордикайнен М. А., Язвин Л. С. Разведка и оценка эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в трещинно-карстовых пластах. М: Недра, 1976.
3. Вахрушев Б. А. Использование подземных конденсационных вод Крыма в античное и средневековое время и современность // Движение к ноосфере, теоретические и региональные проблемы. Симферополь, 1993.
4. Ведерников В. В.,Ларина Л. А. Расчет водного режима застроенных территорий//Расчет водного режима застроенных территорий. М.: Стройиздат, 1985.
5. Гвоздецкий Н. А. Карст. М: Географгиз, 1954.
6. Гергедава Б. А. Роль конденсационной и инфильтрационной воды в происхождении карстовых пещер//Изв. Всес. геогр. об-ва, 1970. Т. 102. Вып. 2.
7. Глухов И. Г. Роль конденсации в балансе карстовых вод горных сооружений (на примере Крыма)//Изв. ВУЗов, сер. геол. 1963. № 3.
8. Голод В. М. Математическая модель аэрогидродинамических процессов в зоне аэрации//Аккумуляция зимнего холода. Пермь, 1981.
9. Дублянская Г. Н., Дублянский В. Н. Роль конденсации в развитии горного карста//Пробл. комп. изуч. карста горных стран. Тбилиси-Цхалтубо, 1989.
10. Дублянский В. Н. Методика расчета конденсации влаги в трещинно-карстовых коллекторах//Бюл. НТИ, сер. Гидрогеол. и инж. геол. 1969. № 6.
11. Дублянский В. Н. Карстовые пещеры и шахты Горного Крыма. Л.: Наука, 1977.
12. Дублянский В. Н., Дорофеев Е. П., Бородаева Л. А. Гидрохимия Кунгурской ледяной пещеры//Деп. в УкрНИИНТИ, № 603 Ук. 84. Симферополь, 1984.
13. Дублянский В. Н., Илюхин В. В. Путешествия под землей. М.: ФиС, 1989.
14. Дублянский В. Н., Кикнадзе Т. 3. Гидрогеология карста Альпийской складчатой зоны юга СССР. М.: Наука, 1984.
15. Дублянский В. Н., Клименко В. И., Вахрушев Б. А., Илюхин В. В. Карст и подземные воды горных массивов Западного Кавказа. Л.: Наука, 1985.
16. Дублянский В. Н., Соцкова Л. М.,Фербей Г.Г. Микроклимат карстовых полостей Горного Крыма//Деп. в УкрНИИНТИ, № 2495 Ук. 89. Симферополь, 1989.
17. Дублянский Ю. В. Теоретическое моделирование динамики образования гидротермокарстовых полостей// Методы изучения и моделирования геологических явлений. Новосибирск. 1992.
18. Еременко Ю. П., Колпашников Г. А. О методике расчета конденсационного стока из солеотвалов калийных рудников // Режим, баланс и ресурсы подземных вод. Минск, 1974.
19. Зибольд Ф. Роль подземной росы в водоснабжении г. Феодосии//Почвоведение. 1904. №4.
20. Кинзикеев А. Р. Геодинамика и карстовый процесс//Инженерная геология карста. Доклады международного симпозиума. Пермь: Изд-во ПГУ, 1993. Т. 2.
21. Климочкин В. В. Необходимость учета процессов конденсации при определении баланса подземных вод// Влагооборот в природе и его роль в формировании ресурсов пресных вод. М.: Стройиздат, 1973.
22. Климчук А. Б., Наседкин В. М., Каннингем К. И. Пещерные вторичные образования аэрозольного генезиса// Свет. 1993. № 3(9).
23. Конденсация водяных паров в почвогрунтах и приземном слое. Библиографический указатель за 1877-1987 гг. /Сост. Ф. В. Шестаков. Алма-Ата: Наука, 1989.
24. Короткевич Г. В. Соляной карст. Л.: Недра, 1970.
25. Кульджаев Н. К. О конденсационной теории происхождения подземных вод А. Ф. Лебедева//Изв. Тадж. ССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол. 1989. № 1.
26. Лебедев А. Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.; Л.: Изд-во АН СССР. 1936.
27. Лукин B.C. Количественное выражение процессов испарения воды и конденсации водяных паров в гипсоангидритовых массивах Уфимского плато//Землеведение, 1969. Нов. сер. Т. 8 (48).
28. Максимович Г. А. Основы карстоведения. Пермь, 1963. Т. 1.
29. Малков В. К, Франц Н. А. К вопросу о зимней конденсации//Аккумуляция зимнего холода в горных породах и его использование в народном хозяйстве. Пермь, 1981.
30. Морозов А. Т. О методах изучения и измерения передвигающейся парообразной влаги в почвогрунтах//Тр. Ин-та гидрологии и мелиорации. 1938. Т. XXII.
31. Немерюк Г. Е., Пальцев В. П. К методике изучения ионного состава паров, конденсирующихся из воздуха// Материалы XXIII гидрохим. совещ. Новочеркасск, 1969.
32. Оболенский В. Н. Курс метеорологии. М.; Свердловск, 1944.
33. Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология. Новосибирск: Наука, 1980.
34. Пащенко С. Э., Андрейчук В. Н., Дублянский Ю. В. Аэрозоли в Кунгурской ледяной пещере//Пещеры. Итоги исследований. Пермь, 1993.
35. Прокофьев С. С. Роль конденсационной влаги в образовании карстовых пещер: Пещеры. 1964. Вып. 4(5).
36. Протасов В. А. Конденсационные воды Горного Крыма и их роль в подземном стоке//Тр. III Гидрол. съезда. Л., 1959. Т. IX.
37. Рейнюк И. Т. Конденсация как один из источников питания подземных вод в области многолетнемерзлых пород // Материалы по общему мерзлотоведению. М.: Изд-во АН СССР, 1959.
38. Рязанова Е. А. Классификация факторов и источников подтопления//Вопросы инженерно-геологических исследований на застраиваемых территориях. М.: Стройиздат, 1987.
39. Славянов В. Н. О естественных конденсаторах горных склонов и о возможности применения конденсаторов для малодебитного водоснабжения//Вопросы изучения подземных вод и инженерно-геологических процессов. М.: Изд-во АН СССР, 1955.
40. Словарь по гидрогеологии и инженерной геологии / Ред. А. А. Маккавеев, М : Недра 1971.
41. Ткаченко К. Д. Значение конденсационной влаги и росы в водном балансе зоны аэрации//Геол. журн. 1978. Т. 38. № 3.
42. Тугаринов В.В. Некоторые результаты изучения процессов конденсации водяных паров из воздуха// Вопросы изучения подземных вод и инженерно-геологических процессов. M.: Изд-во АН СССР, 1955.
43. Устинова Т. И. Условия конденсации атмосферной влаги в пещерах восточной части Горного Крыма// Тез. докл. на научном совещании по изучению карста. М., 1956. Вып.8.
44. Фирсов Л. В. Исары. Новосибирск: Наука, 1990.
45. Xромов С. П., Мамонтова Л. И. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1963.
46. Цикаришвили К. Д. Климатические особенности карстовых полостей Грузии//Европийска регионална конфер. по спелеология. София, 1981. Т. II.
47. Andrieuх С. Evapo-condensation souterraine//Ann. Speleol. 1970. Vol. 25.
48. Вadinо G. Fisica del clima sotterraneo // Mem. del Instituto Inaliano di Speleologia, 1995. Vol. 7.
49. Вernasсоni R. La condensation interne du karst profond//Cavernes, 1966. Vol. 10.
50. Сigna A., Fоrti P. The speleogenetic role of air flow caused by convertion//Int. J. Speleol. 1986, Vol. 15.
51. Dubljanski V. N., Sockova L. M. Microclimate of karst cavities of the Mountain Crimea//Proc. of the 7 Intern. Speleol. Congr., 1977.
52. Erasо A. La corrosion climatica en las cavernas//Bol. Geol. у minero, 1969, Vol. 80.
53. Finnie J.,Curl R. On the functioning of a familiar nonlinear termodynamic oscillator//Proc. Inter. Symp. of nonlintar oscillation. M.: Изд-во АН СССР, 1963. Т. З.
54. Fоrd D., Wi11iams P. Karst geomorfology and hydrology. London: Unwin Hyman, 1989.
55. Ginet R. Etude de la condensation atmosherigue saisonniere dans la grotte de Hautcourt//Pr. Acad. Sci., 1977. Vol. 18.
56. Hann J. Ubereine neue Quellentheorie auf meteorologischer Basis//Z. Osterreichischen Gez. fur Meteorol. 1880. Vol. 15.
57. Hill K., Forti P. Cave minerals of the world. Hantswille, 1997.
58. Jenkо F. Hydrogeologija in vodno gospodarstvo Krasa. Ljubljana, 1959.
59. Mais K. Vorlaufige Beobachtungen uber Kondenswasserkorrosion in Schlenkendurch-gangshohle//Proc. of the 6 Int. Congr. of Speleol. Praha, 1973. Vol. III.
60. Marte1 E. A. Les Abimes. Paris, 1984.
61. Mavlyudov B. Snow and ice formation in caves and ther regime//Proc. X Intern. Congr. of Spel. Budapest, 1989. Vol. 1.
62. Mо1eriо L. L. Hidrogeologia de la cueva La Marian//Volun. Hidraul., 1981. Vol. 18.
63. Mооre G. W., Su11ivan G. N. Speleology. Teaneck: Sephyrus Press, 1978.
64. Muсke D., Vо1ker R. Kondenswasserkorrosion//Janrb. des Hohlenforschers, 1978.
65. Muсke D., Vо1ker R., Wadewits S. Cupola formation occasionalle in undated cave roofs//Proc. Europ. Reg. Conf. on speleology. Sofia, 1983. Vol. 2.
66. Mu11er P. A melegforras-barlangok es gombfulkek Lebetheziserol//Karszt es Barlang. 1974. Vol. 1.
67. Pasguini G. Agressive condensation//Intern. Congr. of Speleol. 1973. Vol. 8.
68. Rасоvitсa G., Viemann J. Sur le role de la condensation souterraine dans la genese des stalagmites de glace//Trav. Inst. speol. E. Racovitza, 1984.
69. Speleogenesis. Evolution of karst Aquifers/A. Klimchouk,D. Ford, A. Palmer, W. Dreybrodt. Huntsvill, 2000.
70. Szunyogh G. A kondenzviz-korrozios gombfulke-kpzodes elemletenek pontositasa a folyadekfilm szivargast torvenyszeriisegeinek figyelembevettelevel//Karszt es Barlang, 1988. № 1.
71. Trombe F. Traite de speleologie. Paris, 1952.