Cavers Mailing List     № 13578

Re: О давлении в пещере

Автор: A.Deshere
Дата: 17 Jul 2012

> На мой взгляд, исчерпывающий обзор на эту тему был выложен ещё в 2008 году
> Александром Дегтярёвым. Там же приведены результаты оригинальных
> исследований. Это работа - Трактат о пещерных ветрах
> http://club13mm.ru/biblio/. Полно, доступно и, по-моему, по-прежнему
> актуально.


Привет!
Труд автора заслуживает уважения! Как физик, могу подтвердить,
что все перечисленные А.Дегтяревым факторы важны
и их обязательно надо учитывать. Но к сожалению,
и в этой "монографии" тоже не обошлось без ошибок:

(п.17). Полагаю, что давление в воздухе передается с той же скоростью, что
и в воде - со скоростью звука. На дне километровой пещеры давление изменится
(и станет равновесным с внешним давлением) приблизительно через три секунды.
Здесь мы имеем дело еще с одним заблуждением, а именно, что передача
давления связана с переносом массы (в данном случае с втеканием или
вытеканием воздуха из пещеры). Звуковая волна - это то же изменение
давления, но носящее колебательный характер. Никаких других отличий нет. А
как известно, звуковая волна (в отличие от ударной) не сопровождается
направленным переносом масс воздуха или воды.


И далее:
(п.19) При резком изменении внешнего давления в пещере произойдет следующее.
Давление в пещере в течение секунд изменится на ту же величину, что и
внешнее давление (при этом входящее в формулу отношение Р1/Р2 почти не
изменится), объем = константа (т. к. для втекания воздуха нужно время).
Поэтому по формуле P1V1/T1=P2V2/T2 изменится температура. А уже температура
будет выравниваться с температурой стенок пещеры. Неравновесность именно
температуры, а не давления.


На самом деле, здесь мы действительно имеем дело с заблуждением,
но только уже самого А.Дегтярева. Выравнивание давления в газе
в квазистационарном приближении связано в первую очередь именно
с переносом массы, а аналогия с жидкостью вообще неуместна.
Разумеется, звуковая волна - это волна давления, НО
ПОСЛЕ прохождения звуковой волны давление газа
сразу же ВОЗВРАЩАЕТСЯ к исходной величине!
(Иначе волна давления от любого ядерного взрыва навсегда
изменила бы устройство земной атмосферы ;-))))

Проведем мысленный эксперимент: пусть в оболочке космической станции
возникла маленькая дыра.
По существу, ситуация полностью аналогична пещере с узким входом:
имеем два объема с неодинаковым давлением газа, соединенных узким
отверстием.
Что, давление в космическом кораблем сразу же упадет до нуля?
Или произойдет чудовищный скачок температуры?
Простая логика показывает, что если дырочка будет маленькой, то
ничего подобного не случится, а давление в корабле будет МЕДЛЕННО падать
по мере вытекания воздуха через отверстие. Если отверстие совсем маленькое
по сравнению с объемом станции, процесс может растянуться на часы и сутки.
Температура на станции при этом будет МЕДЛЕННО понижаться, за счет того,
что "быстрые" молекулы будут чуть чаще попадать в отверстие,
и доля "медленных" (холодных) молекул на станции начнет возрастать.

То же самое и в пещере!
Давление в пещере с УЗКИМ входом вовсе НЕ МЕНЯЕТСЯ синхронно с
поверхностным!
Выравнивание давления - это длительный переходный процесс, его
продолжительность
определяется в первую очередь тем временем, за которое в пещеру поступит
(вытечет)
дополнительная масса воздуха. В первом приближении эту массу можно
рассчитать
из уравнения PV/T=const. (Все остальные факторы дают малые поправки к ней).
Если давление выросло на 1%, объем газа уменьшится на тот же процент.
В замкнутом пространстве пещеры это означает, что "освободившийся" 1% от
объема пещеры должен занять воздух, поступивший снаружи. Время
перетекания этого воздуха через "узкий" вход - это и есть время переходного
процесса.
По грубым оценкам, в больших пещерах с узким входом это могут быть часы и
сутки,
но никак не 3 сек. Интереса ради можно проследить за ветром, дующим на
входах метро -
почему-то мне кажется, что этот вход именно "узкий". В отличие, например,
от форточки в квартире, где длительность переходных процессов
много меньше характерных периодов колебаний уличного давления.

Разумеется, эффект "узкого входа" не заменяет и не отменяет все остальные
эффекты,
рассмотренные А.Дегтяревым. На практике всегда будет сумма всех факторов,
и вовсе не факт, что по данным ограниченных во времени наблюдений можно
корректно определить роль разных факторов. Я когда-то уже пытался на эту
тему
думать, хотя конечно не так основательно, как А.Дегтярев, а на примере
простейшей
модели "каменного мешка" (см статью: Оценка объема подземной полости
по наблюдениям за воздушными потоками.
Спелестологический ежегодник, 2001. С. 219-225).

===================================
Резюме: в пп.17-22 А.Дегтярев допустил ошибку в понимании физики явления.
Скачка температуры в пещере при изменении наружного давления не будет!
(Точнее, он может иметь место, но исключительно в связи с изменением
динамики воздушных потоков. Если этим фактором можно пренебречь,
то температура в пещере не изменится). И наоборот, переходные процессы,
связанные с перетеканием воздуха, зафиксировать можно.
В зависимости от соотношения ширины входа и объема пещеры
они могут иметь самую разную длительность - от секунд и минут
до часов и, наверное, суток в особо объемных пещерах.
На практике процесс может осложняться тем, что реальная пещера обычно
состоит из нескольких объемов, относительно изолированных друг от друга.
Тогда все гораздо сложнее, особенно если часть объемов проточные,
а часть - тупиковые и т.д....

=========================================
P.S. К сожалению, я не смог пока прочитать весь трактат одинаково подробно.
Могу только заметить, что стенки пещеры в районе входов существенно
нагреваются и охлаждаются воздухом (т.н. "ледяные пещеры" образуются
именно так), и что при обсуждении тяги надо учитывать влажность воздуха.
(См. пример с отсутствием тяги при разности температур +10 /-2).
Теплый но влажный воздух может иметь ту же плотность, что и сухой
и холодный, и в итоге тяги не будет, несмотря на разность температур.
Наконец, давление в атмосфере вне пещеры тоже меняется даже на одной
высоте! (Кстати, это одна из причин возникновения ветра ;-).
Сужения ущелий, горные хребты, даже тень от проплывающих облаков -
все это может существенно влиять на горизонтальные градиенты приземного
давления, не говоря уже о прохождении атмосферных фронтов.
В результате разность внешних давлений на двух входах в пещеру
зависит не только от разности их высот и т.д., но и от кучи других
"динамических" факторов. Если вдруг они уравновесят летнюю/
зимнюю тягу, то ветра на входе тоже не будет... На практике чаще
всего будет правда не компенсация тяги, а ее искажение за счет
перечисленных факторов.

Короче говоря, полное исследование темы невозможно закончить
в рамках одной статьи! По объему исследований это скорее похоже
на диссертацию ;-) Надеюсь, что замечания оппонентов (мои в том числе)
помогут автору довести работу до такой степени совершенства,
чтобы она не вызвала сомнений ни у ученого совета, ни в ВАКе ;-)))


P.P.S. А вообще, я занимаюсь обработкой рядов длительных наблюдений,
поэтому если кто-то не поленится такие наблюдения провести,
то я готов поучаствовать в их обработке.
 



CML archive browser created by Pavel Gulchouck