Автор понимает под микроклиматом карстовой полости режим метеорологических элементов ( атмосферное давление, движение воздуха, температура, влажность, газовый состав воздуха ) внутри пещеры или шахты определенного морфогенетического типа.
3.2 Цели и задачи исследований
Целью микроклиматических исследований в карстовой полости пещеры Мраморная является определение суточных , недельных, месячных, годовых особенностей воздушной циркуляции ( напрвление , скорость движения воздуха) , термовлажностных характеристик воздуха ( атмосферное давление, температура, абсолютная и относительная влажность) и его газового состава.
Основными задачами микроклиматических наблюдений являются
характеристика микроклимата карстовой полости;
определение влияния микроклиматических условий карстовых полостей на формирование подземных вод, карстовых микроформ и различных пещерных отложений,;
определение влияния антропогенного вмешательства на микроклимат пещеры.
3.3 Проведение наблюдений.
Организация микроклиматических наблюдений предполагает регулярный контроль за состоянием измерительных средств, а также их поверку ( по наиболее точным ) перед началом серии измерений для выявления неисправных приборов и определения систематических погрешностей с последующим введением в результаты измерений соответствующих поправок (Стернзат, 1978).
Отсчет показаний производится с точностью 0,2 - 0,5 цены наименьшего деления прибора после выдержки , соответствующей инерционности измерительного комплекта. Для температурных измерений с помощью ртутных термометров необходимая выдержка составляет : в воде - 10 - 15 секунд, в воздухе 3 - 5 минут, в песке, рыхлой породе, до 1 часа; при отсчете показаний аспирационного психрометра - 4 минуты, крыльчатого анемометра - 100 секунд. При проведении первых замеров надо предусмотреть необходимое время для выравнивания температуры приборов с температурой воздуха в пещере ( 15 - 30 минут ) .
В узких ( низких ) ходах и залах малого объема тепловыделения и дыхание наблюдателя могут существенно исказить результаты измерений , что необходимо учитывать при организации наблюдений. В тоя части пещеры, где производится наблюдения , необходимо ограничить пребывание посторонних людей и исключить пользование светильниками , нагревателями открытого огня ( свечи, карбидные лампы ) .
В течении всего периода наблюдений на поверхности ( вблизи пещеры, вне зоны влияния воздушного потока из входного отверстия ) производят срочные замеры основных метеоэлементов ( температура , давление, влажность воздуха, направление и скорость ветра ) с указанием погодных условий ( облачность, осадки и их интенсивность ) и расположение пункта наблюдений в рельефе. Сроки наблюдений желательно синхронизировать со стандартными для метеостанций ( 0,3,6,9,12,15,18,21 час по московскому декретному времени) , что позволяет в совокупности с данными метеостанции охарактеризовать условия на поверхности. В связи с возможными проявлениями в пещере запаздывания погодных колебаний на поверхности желательно располагать сведениями о метеоусловиях на поверхности за 2 - 5 суток до начала наблюдений ( по данным метеостанции или собственным измерениям ).
На начальном этапе изучения микроклимата полости выявляют схему движения воздуха в пещере и производят измерения в ее характерных участках ( входное отверстие, основные залы и галереи , зона стабилизации температуры и влажности и т.д.) с нанесением точек наблюдения на план полости и указанием места и времени измерения, фабричного ( полевого номера прибора, фамилия наблюдателя )
Скорость и направление движения воздуха фиксируют во всех местах с ощутимой тягой ( естественных сужениях ходов ), имея виду возможное встречное движение потоков у пола и свода галереи , либо у стен на оси вертикального хода.
При организации регулярных (длительных или периодических ) измерений ( желательно в течение 24 - 28 час. периодичностью 1 - 2 месяца на протяжении 1 - 2 лет ) на основе анализа морфологии полости, схема вентиляции и результатов первичных наблюдений намечают постоянные точки замеров, фиксируемые в пещере с помощью устойчивых марок и подчиняющейся определенной системе : более разреженная сеть с шагом 5 - 10 - 20 метров и более на участках с неизменной морфологией и в зоне минимальных сезонных колебаний; более густая сеть с шагом 0,5 - 2 метра в местах резкого изменения метеоэлементов ( в привходовой зоне, на пересечении ходов и т.д.) выбор точек определяется задачами исследований.
Для регистрации асредненных по сечению значений температуры и влажности воздуха ( с помощью аспирационного психрометра ) замеры производят по осевой линии хода, в залах на расстоянии не менее 0,35 - 0,40 В ( В - наименьшей из размеров по высоте или ширине ) от пола или стены соответственно.
3.4 Приборы для наблюдений
Для определения метеоэлементов естественной карстовой полости используются стандартные гидрометеорологические приборы: барометр -анероид ( погрешность +_ 100 Па), срочные максимальные и минимальные термометры ( погрешность +_ 0,1 - 0,2 град.), аспирационный психрометр ( поггрешность по влажности +_ 1-4%), крыльчатый или чашечный анемометры , в данном конкретном случае крыльчатый, (погрешность +_ 0,1 - 0,2 м/с). Газовый состав воздуха на месте исследуется с помощью шахтного интерферометра ( СО2 , СН 4) или экспересс-методом ( СО2) , однако набор определяемых при этом компонентов ограничен, а точность невелика ( погрешность +_0,5%). В связи с этим основными при изучении газового состава воздуха являются лабораторные методы определения состава отобранных проб ( газовая хроматография). Для определния генезиса углекислоты используется масс-спектрометрический метод анализа изотопного стостава углерода.
Для непрерывной регистрации изменений температуры, влажности и даления воздуха используют суточные, (недельные) термографы, барографы и гигрографы ( погрешности +- 1 гр.С, +_1% влажности, +_ 100Па соответственно).
В связи с недостаточной локальностью стандартных приборов, их невысокой точностью и значительной инерционностью при изучении микроклимата пещер следует применять приборы ( термоэлементы и терморезисторы для измерения температуры , термоанемометры, макроманометры и т.д.), обладающие более высокой точностью ( погрешность измерения температуры 0,01 гр.С, влажности 0,5%, скорости воздуха 0,01 м/с, давления 10 Па), низкой инерционностью и т.д. Применение этих приборов требует их обязательной поверки по стандартным метеорологическим или образцовым приборам. Осредненная скорость движения воздуха определяется путем последовательных замеров в узлах прямоугольной сетки ( с шагом 0,25 - 0,5 В), перекрывающей поперечное сечение хода. Локальные изменения метеоэлементов производят в 5-10-20 см от пола посредине хода с указанием характера подстилающей поверхности ( песок, гравий, лед и т.д.).
При регулярных наблюдениях для выявления крупномасштабных особенностей полей температуры (влажности) производят замерения по длине ходов ( продольные разрезы) по площади залов ( на основе сетки измерительных точек), а также по сечению хода с шагом 0,5 - 1,0 ;0 - 2, 0 - 5,0 м, зависящем от размеров полости и задач исследования. Для определения параметров гидродинамического и термического взаимодействия воздушного потока со вмещающей породой, как правило, в местах с ощутимой воздушной тягой производят градиентные наблюдения на расстояниях 0,1-0,2-0,5-1,0-1,5-2,0 м от пола ( стен), совмещая их с замерами температуры пола ( стен) и всех водопроявлений в исследуемом сечении.
Отбор проб воздуха для изучения газового состава производится путем накачки ( прокачки) в стеклянные газовые пипетки с трубками из вакуумного стекла ( либо в резиновые или полиэтиленовые емкости) объемом не менее 250 мм с зажимами. Размещение точек отбора проб должно выявить вариации газового состава по площади и на разных уровнях пещеры. Режимный отбор проб, обеспечивающий изучение внутрисуточных, межсуточных и сезонных вариаций газового состава воздуха пещер, следует проводить на фиксированных точках.
Обработка наблюдений
Методика первичной обработки резуьтатов наблюдений излагается в соответствующих руководствах ( Методические..., 1951,1953,1954) .
Для обработки результатов измерений, выполненных с помощью аспирационного психрометра и дальнейших расчетов тепловлажностных свойств воздуха следует применять Психрометрические таблицы (1972) и J- диаграмму ( Свойства ..., 1963).
На основе первичных данных наблюдений определяются параметры воздухообмена ( сезонные схемы вентиляции, режимы давления, расход воздушного потока и коэффициент воздухообмена в разные сезоны), величина и направление перепадов температур вода-воздуха, стена ( пол ) - воздух, амплитуды суточных (сезонных ) колебаний основных метеоэлементов по участкам полости и т.д..
По сводным результатам измерений строят графики - изменения температуры ( влажности ) по основным галереям полости, температурные поля по сечениям ходов и площади залов, совмещенные графики суточного (сезонного) изменения метеоэлементов на поверхности и под землей; расчитывают гистограммы распределния температуры ( влажности по длине ходов ,площади или объема полости для вычисления соответствующих осредненных величин, используемых при составлении тепловых балансов и расчетов конденсации. Графически исследуют корреляционные связи между температурой ( влажности ) и глубиной ( длиной) полости , направлением и скоростью воздушного потока и перпадом давления на исследуемом участке и т.д., подбирают апраксимирующие уравнения и находят их коэффициент.