Одним из примечательных и живописных природных образований подземных пространств Сибири являются сублимационные льды. В метеорологии под сублимацией понимают процесс перехода влаги из газообразного состояния в твердое, минуя жидкое, т. е. непосредственное осаждение льда из влажного воздуха. В физике и химии термин сублимация имеет обратное значение: испарение твердого вещества (возгонка). В соответствии с одной из основных терминологических работ по изучению пещерств (Максимович,1963), под сублимацией понимается возгонка, т.е. процесс перехода вещества из кристаллического состояния в газообразное.

Формирование и накопление сублимационного льда обычно происходит в замкнутых подземных пространства при наличии градиента влажности воздуха пещерной атмосферы и поверхности льда, отрицательных температурах воздуха и при температуре предмета, на котором растет лед, ниже точки росы (Гляциологический словарь,1984). В результате процесса сублимации образуется иней, который получил название «пещерной изморози». В пещерах встречаются ее кристаллическая и зернистая разновидности.

Исследованиями условий формирования и роста сублимационных кристаллов в пещерах Севера Русской Равнины, Поволжья, Урала, Крыма, Кавказа, Памира, Сибири, Дальнего Востока и др. ранее занимались специалисты по атмосферному льду, снегу и пещерному льду. В некоторых работах (Дмитриев,1970) пещерные льды рассматриваются даже как особая часть гляциосферы Земли.

Обычно сублимационные кристаллы возникают в местах соприкосновения холодного и теплого влажного воздуха в пещерном канале (противотоки воздуха основного канала или притоки из боковых ходов). Кристаллы растут, как правило, на сводах полостей, в западинах кровли, в трещинах породы. Отмечены они также на сводах захороненных полостей в снежно-ледяных образованиях карстовых пещер, а также в полостях старых горных выработок в Сибири.

В нашем случае появилась возможность проанализировать довольно широко известные, но пока слабо изученные сублимационные льды, формирующиеся в искусственных горных выработках, созданных на территории Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН в г.Якутске (ИМЗ).Основная находящаяся под зданием института подземная лаборатория создана в 1967 г. с целью изучения многолетнемерзлых пород в естественных условиях.

Ее помещения выработаны в песчаных отложениях р. Лены. Верхняя галерея находится на глубине пяти метров, нижняя – двенадцати, а самая нижняя точка лаборатории (пол в одной из камер) соответствует отметке 15 м от поверхности, т.е. вблизи подошвы слоя годовых колебаний температуры пород.

Проходка шахт, галерей и камер выполнена буровзрывным способом с последующим выравниванием стен и полов отбойными молотками. Длина нижней галереи составляет около 30 м, ширина 3,5 м, высота 2,0 м (рис.1). Приблизительно такие же размеры имеет и верхняя галерея.

Песчаные и супесчаные грунты, вмещающие нижнюю галерею, содержат 20-30% льда (по весу) и незначительное количество воздуха (1-3% по объему). При обычной температуре –4,0°С состояние этого грунта приближается к прочности бетона.

На стенах галереи имеется небольшой слой обезвоженного песка, образовавшийся в результате сублимации льда и легко разрушающийся при малейшем прикосновении. Иней на потолке является следствием сублимационных процессов в мерзлых грунтах и отчасти результатом осаждения паров влаги, поступающей с атмосферным воздухом и выдыхаемой работающими здесь сотрудниками института и посетителями лаборатории. На полу и стенах нижней галереи видны растительные остатки, слои торфа, обломки стволов деревьев, линзы льда. Возраст этих включений, как и самих песчаных отложений, вмещающих подземную лабораторию, определенный радиоуглеродным способом, оценивается в 10 тыс. лет. Нижняя галерея и ее камеры предназначены, главным образом, для производства опытов; кроме того, здесь осуществляется механическая и термическая подготовка испытываемых образцов.

Для многих экспериментов, производимых в подземной лаборатории, необходима постоянная отрицательная температура. Поэтому нижняя галерея заложена на горизонте нулевых амплитуд колебаний температуры мерзлых грунтов (12-15 м). Зимой и летом температура воздуха в нижней галерее (как и окружающих пород) сохраняется практически неизменной и близкой к –4°°°...-5,0°С. Относительная влажность воздуха в помещениях подземной лаборатории колеблется от 70 до 100%.

Вторая подземная выработка была создана в аналогичных грунтовых условиях на глубине 23 м на удалении нескольких сот метров от здания ИМЗ в конце 70-х годов прошлого века. Благодаря тому, что эта выработка более 20 лет не использовалась, в ней сохранялся режим полной неподвижности воздуха, что благоприятствовало формированию кристаллов самой причудливой формы (рис.2-4).

С определенной долей приближения можно предположить, что упомянутые выше факторы формирования и развития сублимационных льдов в естественных и искусственных полостях идентичны. Охарактеризуем их подробнее.

ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА

Как отмечал П.А. Шумский (1940), самопроизвольная сублимация льда, то есть образование новых кристаллов, отсутствует. Сначала конденсируется вода, потом она замерзает, а на этих ядрах происходит сублимация, которая при 0°С может идти только вынужденно на поверхности достаточно крупных кристаллов изоморфных льду веществ. Чем меньше кристалл, тем ниже должна быть температура.

На сегодняшний день, благодаря проводящимся уж несколько десятилетий в нижней галерее подземной лаборатории ИМЗ на глубине 12 м исследованиям сохранности семян разных растений, это наиболее изученный параметр, оказывающий влияние на данный процесс.

На рис.5 приведены данные о температуре воздуха в хранилище семян, полученные сотрудником Института биологических проблем криолитозоны ЯНЦ СО РАН А.И.Афанасьевым при помощи логгера DS1922LF5.

Как видно, ход температуры в подземной лаборатории на глубине около 12 м от поверхности четко, хотя и с обычной временной сдвижкой, соответствует динамике температур на поверхности. В частности, наиболее высокие за период наблюдений температуры (-4°С) были зафиксированы в период сентябрь-декабрь 2007 г. и являются смещенными «отголосками» летнего повышения температуры воздуха, проникшего на глубину размещения галереи.

Более низкие температуры воздуха (около –4.5°С) отмечались с апреля по август 2007 г., а позднее – с января по май 2008 г. – достигали наиболее низких значений – около -5°С. Очевидно, что два эти холодных периода – не что иное, как последствия зимних холодов. Подобный годовой ход температур можно считать обычным для подземных полостей, находящихся вблизи нижней границы слоя годовых теплооборотов, т.е. на глубине от 10 до 20 м, а условия достаточно благоприятными для формирования сублимационных льдов.

ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА

Влияние степени пресыщения воздуха влагой на скорость сублимации льда в пещерах изучено слабо. Ранее было показано (Jamashita A., Asano A.,1984)., что этот показатель может достигать: для Антарктиды -до 150%, а в пещерах при сублимации льда достигает 200% (март 1982 г.) в пещере имени Географического Общества СССР на Пинего-Кулойском карстовом плато, а в пещере Большая Голубинская (там же) -300% (март 1982 г.).

Пресыщение воздуха влагой по длине пещер, как правило, уменьшается по продвижению в глубь полостей. Поэтому наибольшие по размеру и объему скопления сублимационных кристаллов льда размещаются вблизи входов в пещеры либо мест поступления наружного воздуха.

В зависимости от степени пресыщения воздуха влагой, так же как и от его температуры, зависит форма сублимационных кристаллов (Jamashita A., Asano A.,1984). Если принять температуру притекающего из бокового хода потока воздуха равной 0°С, то чем ниже будет температура воздуха в основном канале полости, тем больше будет пресыщение пара в воздухе. Однако, чем больше пресыщение, тем больше выделится тепла при сублимации, что отрицательно скажется на росте кристаллов (рис.6).

ВЕТРОВЫЕ УСЛОВИЯ

Ветровые условия образования пещерной изморози еще не изучены. Известно, что для роста сублимационных кристаллов льда на поверхности снега движение воздуха необходимо, но должно быть минимально. Наблюдения в пещерах показывают, что наибольшие по массе скопления изморози приурочены именно к участкам полостей с медленным движением воздуха. Это обстоятельство связано с тем, что большие скорости обтекания воздухом растущих кристаллов позволяют быстрее отводить тепло, выделяющееся при сублимации. Иными словами, при росте из насыщенного пара кристаллы будут быстрее расти в тех точках на их поверхности, где внутреннее тепло уходит быстрее всего (рис.7). В нижней галерее подземной лаборатории ИМЗ, вследствие имеющейся, хотя и очень медленной, миграции воздушных масс от входа к тыловой части, в этом направлении происходит отчетливый рост кристаллов, достигающих максимальных размеров и причудливой формы именно в конце полости (рис.8).

ТОЛЩИНА СЛОЯ ВЛАГИ

Величина слоя поступающей влаги также сильно влияет как на массу сублимационного льда, так и на форму его скоплений. Развиваются преимущественно те кристаллы, направление наибольшей скорости роста которых не выходит за пределы переохлажденного слоя пара. Чем тоньше слой, тем больше пассивное ориентирующее влияние основания и, наоборот, вплоть до полного отсутствия ориентирующего влияния в условиях равномерного пересыщения значительной толщи пара ( Parungo F.P.,1983).

ВЛИЯНИЕ СУБСТРАТА

Влияние субстрата на сублимацию льда также изучено плохо. Сублимация идет на поверхности горных пород (известняки, гипс, льды и др.), на поверхности металлов, цемента и дерева. Наблюдения показывают, что сублимационные кристаллы не растут на поверхности поливинилхлоридной пленки, на капроновой леске. Возможно, это связано с тем, что поверхность этих веществ является несмачиваемой для воды (Mason B.J., 1992).

РОСТ КРИСТАЛЛОВ

После замерзания капель конденсата на стенах начинают развиваться те зародыши кристаллов, ориентировка которых направлена в сторону с наиболее благоприятными условиями роста. Выдвигаясь вперед, они затрудняют питание остальным кристаллам (перехватывают потоки влаги), задерживают их рост и могут совершенно «заклинить» их.

При небольших пересыщениях пара образуются столбчатые кристаллы (рис.9), при повышенном пересыщении образуются пластинки (рис.4), а при дальнейшем увеличении насыщения возникают дендриты-звездочки (рис.10).

При равномерном и незначительном пересыщении влаги кристаллы растут плоскими, благодаря перемещению вещества по поверхности кристалла. Но при возрастании пересыщения различие в интенсивности питания выступов и средних частей граней уже не может компенсироваться перераспределением вещества по поверхности. Однако в пещерах поступление влаги к кристаллам происходит не равномерно с разных сторон – как в облаке, а только с одной стороны. Поэтому скелетные кристаллы часто имеют форму пирамид (рис.11), обращенных вершиной вниз или лотков, т.е. части граней пирамиды. Все дефекты формы скелетного кристалла связаны с условиями и интенсивностью прихода вещества к конкретным граням кристалла. Этим же объясняется и образование завитков на некоторых пирамидальных кристаллах.

ВРЕМЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ СУБЛИМАЦИОННОГО ЛЬДА

Сублимационные кристаллы льда – это, как правило, сезонные образования, чаще всего они стаивают весной или в начале лета. Но в благоприятных частях пещер (тупиковые ходы, западины, трещины, погребенные пустоты, где температура стен в течения лета остается отрицательной), как это происходит в мерзлоте, изморозь может сохраняться на протяжении всего теплого периода года и перелетовывает. Многолетние кристаллы изморози наблюдались и в ряде пещер вне зоны развития многолетней мерзлоты ( Parungo F.P.,1983). В Кунгурской пещере в ряде мест летом сублимационные кристаллы озерняются под воздействием теплого воздуха. В результате образуются скопления льда на стенах и своде с довольно большой плотностью. Осыпающиеся со сводов кристаллы могут участвовать в образовании метаморфического льда на полу пещеры.

Наблюдения в нижней галерее подземной лаборатории ИМЗ свидетельствуют о существенных сезонных отличиях условий развития сублимационных льдов. Своего максимального развития они достигают летом, чем существенно отличаются от территорий вне развития мерзлоты, где максимум приходится на холодный период. В нашем же случае, при летнем таянии мерзлоты и поступлении в подземное пространство влажного воздуха, условия формирования и роста кристаллов максимально благоприятны. Зимой же проникновение в галерею, хотя и ограниченных, но чрезвычайно холодных (до -30°С) и высушенных масс воздуха приводит к деструкции кристаллов с сокращением их размеров.

ИНТЕНСИВНОСТЬ НАКОПЛЕНИЯ ИЗМОРОЗИ

В большинстве случаев исследования изморози пещер носят качественный характер. Оценок скорости роста изморози в пещерах почти нет. Для Кунгурской пещеры на Урале измерена скорость сублимации на единицу площади свода ее основного зала (Дорофеев,1969), которая оказалась равной 0,2 кг/м2 в сутки (около 2 г/см2 за зиму). В этих расчетах принято, что скорость сублимации постоянна в течение зимы, что позволило интерполировать двухнедельные измерения.

Наблюдения в Бриллиантовом гроте Кунгурской пещеры в феврале 1985 г. и апреле 1986 г. показали, что скорость сублимации непостоянна во времени, как непостоянно во времени пересыщение воздуха влагой, и зависит от градиента влажности воздуха и скорости ветра (Дорофеев,1990).

ЛЕТНЯЯ СУБЛИМАЦИЯ ЛЬДА

В Кунгурской пещере также отмечена летняя сублимация льда, которая идет в гораздо меньшем объеме, чем зимой, так как обуславливается только тем холодом, который запасли толщи пород и льда за зимний цикл охлаждения пещеры. При этом образуются небольшие пластинчатые кристаллы льда (до 5 мм в поперечнике по наблюдениям в августе-сентябре 1985 г.). Они растут, то есть каждая пластинка сублимационного кристалла является как бы продолжением одной из базисных плоскостей кристалла субстрата.

Совершенно не изучен механизм формирования сублимационных льдов в подземных полостях, куда влага может поступать только непосредственно из толщи мерзлоты. При вскрытии находящейся на глубине 23 м на территории ИМЗ подземной галереи, герметически закупоренной и не посещавшейся в течение более 30 лет, были обнаружены сублимационные льды весьма причудливой формы (рис.12,13). Автор надеется, что данная публикация привлечет внимание специалистов к этому природному феномену.

Исследование сублимационных кристаллов льда в пещерах показало, что наиболее распространенными являются шестигранно-пирамидальная и прямоугольно-призматическая формы. Механизм роста сублимационных кристаллов льда до конца не изучен. По мнению специалистов в этой области, на формирование сублимационных льдов влияют: температурные условия воздуха, степень пресыщения воздуха влагой, скорость поступления влаги к месту сублимации, а также интенсивность отвода тепла от места кристаллизации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Как видим, механика образования сублимационных кристаллов в подземных пространствах в общих чертах ясна. Для сублимационных льдов выяснено, что наибольшие по объему скопления отмечены на Севере, где преобладают продолжительные холодные зимы, а в горах максимальное количество сублимационного льда в полостях отмечается в высокогорье (Памир, 4600 м), где также суровые зимы.

Поскольку рост сублимационных кристаллов льда в пещерах четко ограничен рамками температуры и влажности воздуха, то форма любого кристалла является отражением тех условий, которые сопровождали его рост. Поэтому по форме кристалла, используя метод географического подобия, можно определять те условия, в которых он сформировался.

Пещерные льды являются индикаторами изменения как микроклимата подземной среды, так и длительных климатических колебаний на поверхности, индицируют гидродинамику и экзодинамику подземной среды, повышают устойчивость подземной выработки, продляют время их существования, а также имеют большую эстетическую ценность. При соответствующих условиях, поля ледяных кристаллов, объединенные в скопления аналогично каменным кристаллам-«друзам», представляют чрезвычайно живописное зрелище (рис.14).

Автор не стремился показать, что все вопросы, связанные с сублимацией льда в пещерах, уже решены. Несмотря на обилие опубликованных работ, еще до конца не известны детали механизма роста этих льдов, не говоря уже о количественной стороне этого вопроса. Только дальнейшая разработка теоретических вопросов и проведение экспериментов по изучению скоростей роста кристаллов, измерению температур и влажности воздуха на различном удалении от ядра льдообразования позволят приблизиться к решению проблемы формирования и развития сублимационных льдов в подземных полостях Севера.

Литература

1. Гляциологический словарь. - Под ред. В.М. Котлякова, Л.: ГИМИЗ, 1984. - 528 С.

9. Parungo F.P. Ice crystals growth at (-8 + 2)°C//Journal Rech. Atmos. - 1983, v. 17, n. 2. - P. 139-156.