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 те

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.

Относительная влажность в большинстве пещер и искусственных выработок близка к 100% (исключение представляют небольшие статические пещеры, расположенные близко к поверхности). Исходя из этого можно рассчитать абсолютную влажность воздуха в них, - для разных широт и высот она меняется от 5 до 30 мм рт. ст.

Таким образом, наиболее вероятными условиями пребывания человека под землей в низких широтах будут " прохладно", " возбуждающе", " жарко" и " раздражающе жарко"; в средних - " холодно", " холодно, влажно", " холодно, очень влажно"; в высоких - " очень холодно", " холодно, влажно". Наш природный термостат слабо приспособлен к таким условиям, так как в большинстве случаев температура человеческого тела значительно превышает температуру подземной атмосферы. Это определяет основную угрозу - переохлаждение.

В воздухе теплопередача происходит тремя путями: излучением (45%), теплопроведением (35%), испарением пота, мочеиспусканием и нагревом вдыхаемого воздуха (20%). В воде, теплоемкость которой в 4, а теплопроводность - в 25 раз больше воздуха, основная масса тепла теряется за счет теплопроведения. Поэтому водолазные нормы не допускают погружение без гидрокостюма при температуре менее 17°С. Охлаждение спелеолога происходит особенно быстро, если воздух и вода находятся в движении, так как он вынужден обогревать все новые слои.

В 50-60 гг. проблема защиты от переохлаждения решалась на уровне интуиции: холодно - наденем побольше, жарко - расстегнемся. В слабо обводненных, сравнительно неглубоких (100-3000 м) пещерах и шахтах этого было достаточно. С появлением более сложных объектов, где работать приходилось не в обычной одежде, а в надетом под комбинезон тонком резиновом костюме, пришлось заняться теорией. Выяснилось, что охлаждение происходит постепенно. Первая его стадия - ощущение холода, дрожь, инертное поведение. Организм борется с ним усиленным теплообразованием, повышением интенсивности окислительных процессов. Вторая стадия - " гусиная кожа", озноб, побледнение, иногда судороги. Мышечные нагрузки и в этом случае позволяют вернуться к норме. Третья стадия - необычное поведение, плохая координация, боли в мышцах, паралич голосовых связок, потеря сознания. Переохлаждение сопровождается снижением периферической (кожа, конечности) и центральной (сердце, мозг, легкие) температуры до 30 °С. Дальнейшее понижение центральной температуры (30-25 °С) приводит к смерти. Это определяет первую помощь при переохлаждении: изоляцию от холодных стенок и пола пещеры, обсыхание, теплые напитки, периферийное и центральное разогревание и пр. Если пострадавший уже перестал дрожать, нельзя растирать его, давать алкоголь, так как это может привести к внезапной остановке сердца.

Лучшие меры борьбы с переохлаждением - специально подобранная одежда, грамотная тактическая схема исследований. Медицинская комиссия французской спелеологической школы рекомендует примерное меню при выходе под землю на 20 часов: завтрак на поверхности - 8 часов утра (произвольный набор продуктов питания, желательна зелень); обед - 12-13 часов (горячий суп, рисовая каша, орехи, кофе); полдник- 17 часов (сухофрукты, суп или кофе); ужин - 23 часа (пюре, сыр, шоколад, кофе или суп); подъем на поверхность - 4 часа утра (сухофрукты). В 90-е гг. для спелеологов бывшего СССР эти рекомендации звучат издевательски, но... Сказанного, вероятно, достаточно, чтобы стало ясным: жизнеобеспечение под землей - дело серьезное. Если нас ждет сложный объект, нельзя рассчитывать на русское " авось". Надо обратиться к учебникам по медицине и физиологии.

Довольно долго спелеологи Европы страдали в пещерах в основном от переохлаждения, а перегрев считался возможным лишь в далеких от нас тропиках. Первый сигнал пришел из пещер массива Алек (Кавказ). По глубине они немного превосходили крымские, но отличались довольно сильной обводненностью, чередованием вертикальных колодцев, наклонных галерей и узких " шкуродеров". Наличие воды заставляло работать в облегающем гидрокостюме, ограничивающем теплоотдачу. И сразу появились грозные признаки: общая слабость, вялость, сухость во рту, тошнота, покраснение или побеление лица, частое, поверхностное дыхание. Не надо быть врачом, чтобы понять - это перегревание. Спешно пришлось разрабатывать специальные правила, предусматривающие периодическую вентиляцию, быстрое охлаждение после преодоления узких лазов (погружение в ванночки), прием стимулирующей дозы элеутерококка. Так снова проявилась полярность спелеологии, когда приходится вести борьбу " на два фронта".

Пещеры - великолепный полигон для проверки различных средств жизнеобеспечения, необходимых не только спелеологу, но и военным или космонавтам. Например, как обеспечить полноценный сон в подземном лагере? Специалисты чешского спелеологического общества разработали гамак с собственным источником тепла, в котором можно спать без спального мешка. Он состоит из подвесной системы, к которой крепятся три слоя синтетической ткани, внешний из которых алюминирован. Под гамаком ставится емкость со 150 граммами парафина, с фитилем из стекловолокна. Теплый воздух поступает по трубке, обогревая гамак до 30-37°С. В нем можно даже высушить намокшую одежду.

Эта особенность спелеологии широко используется разными фирмами для опробования и рекламы своей продукции. Недаром крупные экспедиции легко находят спонсоров, бесплатно снабжающих их новым оборудованием, средствами жизнеобеспечения, специальными наборами продуктов. К сожалению, в странах бывшего СССР пока далеко не все фирмы и коммерческие предприятия понимают, что такое настоящая реклама.

7. 4. Собачьи пещеры

Еще в античные времена были известны пещеры, посещение которых опасно для жизни. В небольшую пещеру Канини близ Неаполя человек мог зайти свободно, но сопровождающие его собаки погибали. Стоило наклониться к четвероногому другу - и человек тоже терял сознание. Это объяснялось высокой концентрацией углекислого газа в приземном слое воздуха (до 77%). Газ поступал в пещеру по трещинам в известняках и вулканических породах. Такие же пещеры известны в других районах Европы (Збрашовская, Чехия, 36%), Азии (Кармал, Иран, 24%), Америки (Калифорния, США, 19%).

Иногда сообщения о наличии СО₂ в пещерах основывались на недоразумении. Например, в Крыму первое упоминание о нем принадлежит академику П. Кеппену (1821 г). При описании Туакской пещеры на южных обрывах Карабийского массива он цитирует письмо полковницы Дарьи Штеге. " Выстрелив во вход два раза из ружья, чтобы отогнать злых духов, мы прошли 70 или 80 аршин самою зараженною атмосферою, дойти до конца пещеры я не смогла как по собственному расслаблению сил и дурноте, так и по жалобам моих спутников... " Так появилась легенда об углекислом газе в Туакской пещере, которая проникла даже в научную литературу.

Массовые обследования более 700 полостей Крыма в 60-е гг. показали, что в его пещерах и шахтах нет опасных для жизни концентраций СО₂, хотя фоновое содержание повышено по сравнению с атмосферным воздухом на порядок (0, 2-0, 7 объемных %). Тем опаснее было исключение - Бездонный колодец на Агармыше. Исследования гидрогеолога Ю И Шутова показали, что в холодный период содержание углекислого газа в нем близко к фоновому (0, 5%), а вот в теплый оно повышается до 2, 4-3, 2%, и огромная " бутылка" колодца заполняется опасной для жизни смесью почти до горлышка.

Спуски Ю И Шутова, несмотря на некоторые технические сложности, закончились благополучно. Но так бывает не всегда 1. 10. 1972 г в пещере Кюв де Сорье (Франция) погибли Жан Жако и Шарль Жан, а затем пытавшийся спасти их мэр городка Робер Шоссе. Удушение произошло в результате высвобождения СО₂ из кармана, внезапно вскрытого обрушением гипсового блока. В 80-90 гг. с высокими концентрациями СO₂ (более 4%) столкнулись спелеологи в дальних частях пещеры Золушка (Молдова-Украина). Исследования черновицких медиков показали уменьшение количества сердечных сокращений у мужчин и увеличение - у женщин (в состоянии покоя), и увеличение у всех - под нагрузкой. После 3-4 часов работы в загазованной части пещеры фиксировались утомляемость, сонливость, жажда, раздражительность, потеря координации, снижение внимательности (увеличение числа ошибок при топосъемке).

Что же это за коварный газ? Оксид углерода - бесцветный газ, имеющий слегка кисловатый вкус. Благодаря большему удельному весу, чем кислород, он накапливается в нижних частях пещер, образуя " озера". Человек хорошо приспосабливается к атмосфере, содержащей до 3% СО₂, концентрация более 12% абсолютно смертельна, диапазон 3-6% - спорный. Последние достижения космической медицины выявили, что при концентрации 3-6% пребывание здорового человека в загазованной атмосфере допустимо 60-90 минут, 5-7% - переносится индивидуально (через 15-20 минут ощущается теплота во всем теле, легкая головная боль), при концентрации более 7% проявляется токсический эффект, требующий напряжения сил для сохранения работоспособности. Повышение концентрации СО₂ в воздухе до 6% вызывает увеличение глубины дыхания с 670 до 2100 мл, частоты - с 14 до 27 раз в минуту.

Изучение сотен пещер в разных районах мира показывает, что повышенное на порядок содержание СО₂ является тем " фоном", на котором развиваются все процессы под землей (формирование пещерных минералов, развитие спелеофауны и пр. ) Имеется даже предположение, что углекислый газ сыграл определенную роль в эволюции человека. В зависимости от объема пещер, в которых укрывался первобытный человек, и наличия естественной вентиляции при обогревании кострами в них возникали зоны его повышенной концентрации. В наиболее укрытых от опасности и плохо вентилируемых частях пещер, очевидно, укрывались женщины с маленькими детьми. Так формировалось " привыкание" к повышенной концентрации СО₂, которая в количестве 2-3% активирует нервные клетки подкорковых образований головного мозга, тонизирует кору его больших полушарий.

Откуда же берется СО₂ под землей? Известно несколько его источников: атмосферный или почвенный воздух, окисление органических или неорганических соединений, имеющихся в пещерах и во вмещающих породах, подток сухих струй газа и пр. Сейчас появилась возможность определения источников СО₂ в конкретной пещере. Для этого следует изучить изотопный состав углерода, входящего в его молекулу. " Облегчение" углерода на 5-25 промилле (обогащение изотопом С₁₃) характерно для реакций окисления органических веществ почвы; на 40-70 промилле - для окисления углеводородов метанового ряда; отяжеление на 5-10 промилле - для СО₂ глубинного генезиса. Так что, как всегда, проблема диалектична: с одной стороны, углекислый газ - враг всему живому, с другой - его более глубокое изучение раскрывает многие тайны неживой природы и человеческого организма.

В практике исследования пещер известны случаи отравления и другим оксидом углерода - СО. Угарный газ не имеет цвета и запаха. Он образуется при взрывах, работе двигателей внутреннего сгорания, источников открытого огня. Симптомы отравления им - головная боль, одышка, учащенный пульс; возможны быстрая потеря сознания и судороги. В 1946 г. чуть не закончилось трагедией первое погружение в источник Воклюз с аквалангом, когда Дюма и Дюфур, а затем Тайи и Морандье испытали сильнейшее отравление: в баллоны из-за неисправности компрессора был закачан воздух с примесью СО.

Еще один опасный газ, встречающийся под землей, - это сероводород (H₂S). Он немного тяжелее воздуха, бесцветен, при большом разбавлении пахнет тухлыми яйцами, однако быстро наступает адаптация к запаху. Отравление возникает при концентрации 0, 2-0, 3 мг/л, содержание выше 1, 0 мг/л - смертельно. Токсичность сероводорода проявляется в раздражающем действии на глаза и органы дыхания, к которым затем присоединяются поражение центральной нервной системы и паралич сердца. Сероводород част в пещерах, через которые разгружаются на поверхность минеральные воды. Именно в небольшой пещере Мацестинская близ Сочи чуть не погиб в начале XX в. Э. Мартель. Он так увлекся ее обследованием, что потерял сознание. В 1971 г. опытные спелеологи П. Дебре и М. Роке погибли от отравления H₂S в воздушном куполе за сифоном одной из пещер юга Франции. Позже выяснилось, что через купол проходила жила окисленного сернистого минерала. Сероводород часто встречается в вулканических пещерах совместно с SO₂, CO₂, N₂ и другими газами. По сообщению Г. А. Максимовича, сложная по составу смесь газов заполняет пещеры, образованные при горении пластов угля.

Таким образом, газовый состав воздуха в пещерах и подземных пространствах может быть самым различным - " нейтральным", полезным или опасным для человека. Ну а как обстоит дело с его чистотой? Вот тут все вроде бы благополучно. Немногочисленные замеры, выполненные в гипсовых пещерах Подолии (Кристальная, Озерная), в известняковых пещерах Кавказа (Ново-Афонская) и в соляных копях Закарпатья и Приуралья (Солотвино, Соликамск), показали, что воздух подземелий очень чист и содержит не более 100 микробов в 1 м³. В. Н. Андрейчук доказал, что вследствие естественной вентиляции карстовые пещеры многократно очищают поверхностный воздух от разных примесей. Так что пещеры - это " легкие земли".

7. 5. Звук под землей

Пещеры нередко представляют как мир вечного безмолвия. " Мертвая тишина подземелья наложила на души Тома и Бекки свою влажную, липкую лапу", - писал Марк Твен более ста лет назад. В других литературных источниках, напротив, смакуются тайны " поющих гротов", " стонущих пещер", " воющих колодцев". Где же истина?

Под землей можно выделить пять основных источников звука: падение камней, шум воды или воздуха, деятельность животных или человека. Звуки четырех первых групп, как и на поверхности, существуют независимо от нас. Уместно вспомнить спор средневековых схоластов: шумит ли водопад, который некому услышать? Но он теряет смысл, если заменить субъективное восприятие звука объективными физическими характеристиками.

Звук - это изменение давления, которое распространяется в воздухе во все стороны в виде синусоидальной волны, характеризующейся скоростью, длиной, частотой и интенсивностью. Скорость звука зависит от упругих свойств среды и температуры. В воздухе при температуре 18°С она составляет примерно 340, а при 0°С -1550 м/с. Длина звуковой волны - это расстояние между двумя последовательными зонами максимума или минимума давления, а частота - число волн, проходящих через данный участок среды за секунду. Единицей измерения частоты принят герц - 1 цикл колебаний в секунду. Человек воспринимает звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 Гц. Ниже располагается область инфра-, а выше - ультразвука. Интенсивность - это энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади в единицу времени. Порогом слышимости является интенсивность 10-16 вт/см². Кроме этих основных характеристик звук различают еще по высоте (основной частоте) и по тембру (набору наложенных друг на друга синусоид). Если в звуке характерные частоты не выделяются, говорят о шуме.

Вооружившись этими необходимыми физическими знаниями, начнем " охоту" за звуком под землей. Падение отдельных камней вызывает короткие, как удар хлыстом, одиночные звуки. А осыпание - нарастающий гул. Движущаяся вода является источником самых разных звуков - от монотонного " кап-кап" и еле слышного журчания ручья до грозного рева водопада, срывающегося во многометровую пропасть. Небольшой ручей с расходом 0, 5-2, 0 л/с генерирует звук с частотой от 40 до 8000 Гц, причем максимум приходится на область около 2000 Гц. Чем больше воды в ручье, тем более " расплывчатым" становится максимум. Это приводит к изменению тембра звучания, что является одним из свидетельств начинающегося подземного наводнения. В водопадах на возбуждение звуковых колебаний расходуется около 1% мощности. Шум возникает при вспенивании дробящейся воды, когда происходит кавитация, - в ней образуются и захлопываются пузырьки разных размеров. При подъеме воды в карстовых сифонах за счет взаимодействия со сводами, имеющими различную форму, иногда возникают инфразвуковые волны. При частоте около 1, 0 герц они накладываются на  -ритм головного мозга и вызывают хорошо знакомые спелеологу чувства дискомфорта, беспричинного страха. И к этому " внутреннему голосу" следует обязательно прислушиваться.

Морские пещеры также полны звуков. Одна из самых известных " звучащих" пещер мира находится на острове Стаффа (Гебридские о-ва). Она имеет протяженность 70 м и высоту у входа 30 м. В тихую погоду волны, набегающие на базальтовые колонны, подпирающие своды, издают мелодичные звуки, а во время прибоя из пещеры доносится громоподобный гул - вода сжимает воздух в дальней части пещеры, и он прорывается наружу. Эти звуки, слышимые на несколько километров, вдохновили композитора Мейербера (1794-1864 гг. ) на написание оратории " Фингалова пещера".

Движение воздуха под землей может быть довольно интенсивным. В Красной пещере (Крым) в сужениях зафиксированы местные скорости, достигающие 10 м/с (36 км/час). В пещере Винд (США) в одном из узких ходов иногда бушует настоящий ураган (150 км/час).

Тембр звучания ветровых пещер зависит не только от скорости движения воздуха, но и от характера обдуваемой поверхности. Если она гладкая, то раздается равномерный, то усиливающийся, то ослабевающий гул. Если с основным отверстием связан лабиринт более узких ходов, тональность звука меняется. Возникает " клокотание", которому иногда дают звукоподражательные названия. Например, на склоне вулкана Арагац (Армения) описаны дующие колодцы и трещины, получившие в народе название " гыр-гыр". А. Гумбольдт описал на р. Ориноко " поющие скалы". Стены гротов и трещин здесь покрыты тоненькими листочками слюды, которые поют утром и вечером при смене направления овевающих их воздушных потоков. В Тигровой пещере (Таджикистан) мелодичные звуки издают соляные сталактиты. Тембр звучания определяют их диаметр и длина. Неожиданные звуки возникают близ водопадов. Увлекаемый водой воздух иногда прорывается даже через закрытые сифоны, что сопровождается урчанием и бульканьем.

Самые разнообразные звуки привносит под землю, конечно, человек. Это голоса и сигнальные свистки, стук забивающего крюк молотка и шелест горящего примуса, ритмичный шум легочного автомата акваланга и музыка... На всю жизнь запомнился мне полевой сезон далекого 1963 года. В работе Комплексной карстовой экспедиции принимал участие московский геофизик Ю. Баулин. Метод радиопросвечивания, которым он пользовался, предельно прост: чувствительный радиоприемник с подвижной антенной, геологический компас и блокнот - вот все, что нужно. Настраиваясь на частоту широковещательных радиостанций данного района, по изменениям радиопеленга и интенсивности сигнала можно установить, имеются ли в этих направлениях значительные пустоты. Но за внешней простотой метода кроется много тонкостей, - недаром Юрий день и ночь " колдовал" над своим ПИНПом, наполняя пещеры Караби чуждыми им звуками - бравурными маршами Анкары, томными танго Будапешта, лирическими песнями Киева...

Пещеры, благодаря большим размерам залов и множеству натеков, обладают удивительной акустикой. Это знал еще первобытный человек, магические обряды которого требовали специфического звучания голоса. В 1983 г. французские археологи выяснили, что участки, где расположены пещерные рисунки, также обладают своеобразной звуковой палитрой, напоминающей то дробный топот стада, то рык льва... Это была если не цветомузыка, то своеобразная музыка цвета.

Сиракузский царь Дионисий, живший в I в. до н. э., отличался подозрительностью и жестокостью. Для подслушивания он использовал пещеру, сохранившую до нашего времени название " Дионисиево ухо". Она имеет длину около 25 м и ширину до 75 м. С поверхностью ее связывает извилистый проход, а все происходящие в пещере разговоры фокусируются в одной точке, где была сооружена специальная камера. Так тайное становилось для царя явным.

Древнее греческое предание повествует о красивой молодой нимфе Эхо, обитавшей в лесах и на холмах. Однажды к ним в гости явился сам Зевс. Эхо взяла на себя незавидную роль - отвлекать внимание ревнивой жены громовержца. За это Гера лишила ее речи, сохранив способность повторять лишь окончания слов. Так из легенды родилось с

⇐ Предыдущая40414243444546474849Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: