Закон Бэра, положение, объясняющее причину подмыва берегов рек, текущих в направлении меридиана: в Северном полушарии - правых, в Южном - левых, под влиянием вращения Земли. Данное положение, определяемое силой Кориолиса, должно находить отражение в динамике формирования русел подземных рек. Сила Кориолиса равна произведению массы точки на ее Кориолисово ускорение и направлена противоположно этому ускорению.¹ В случае движения водного потока со скоростью v на поверхности Земли на широте α, это ускорение равно: 2 w v sinα (где w - угловая скорость вращения Земли) и направлено вправо по направлению к скорости движения в Северном полушарии, влево в Южном. На экваторе ускорение Кориолиса равно нулю, а наибольшее его значение у полюсов, поэтому закон Бэра сильнее проявляется в средних и высоких широтах. По отношению к воздушным потокам (ветрам) в свободной атмосфере действие этого фактора хорошо изучено, так же как и в отношении морских и океанических течений. Сложнее дело обстоит в случае руслового потока, так как берега препятствуют отклонению потока; это приводит к подмыву соответствующего берега (закон Бэра). В законе Бэра действующая сила прямо пропорциональна массе движущейся воды и явно проявляется только в долинах крупных рек, почти не проявляясь на малых реках. Кроме того, размыв соответствующего берега часто затушёвывается основным наклоном местности, геологическим строением долины и другими факторами. Примерами, подтверждающими закон Бэра, может служить строение берегов рек Днепра, Дона, Волги, Оби, Иртыша и Лены; Дунай и Нил, также в большей части своего течения имеют высокий правый берег и низкий левый [1].

Исходя из вышеизложенного, можно перечислить условия, при которых данная закономерность будет проявляться в максимальной степени для подземных водотоков: а) субполярный регион; б) субмеридиональное направление движения вод¹; в) быстрое движение воды, в пещерах речного типа, с быстрыми и относительно высокодебитными водотоками; г) горизонтальное течение и равнинные условия спелеогенеза; д) вадозные условия стока.

Автор (слева) с В. Киселевым в пещере

Общепринято, что процессы, протекающие в пещерах, и связанные с ними явления, как правило, выражены более отчетливо, нежели аналогичные поверхностные, за счет большего постоянства условий и меньшего влияния сторонних факторов. Поэтому, сила Кориолиса гораздо сильнее отражается на морфологии русел пещерных рек, чем на равнодебитных поверхностных. Вышеперечисленным условиям удовлетворяют некоторые подземные реки пещер севера Русской равнины.

Сульфатный карст севера Русской равнины приурочен к гипсам и ангидритам ассельско-сакмарского яруса нижней перми (P₁as-sk). Карстующиеся породы развиты полосой субмеридионального простирания (до 60 км в ширину и более 600 км в длину). Мощность карстующихся пород достигает 80м [2]. Наиболее характерные подземные карстовые формы выявлены в Юго-Восточной части Беломорско-Кулойского плато (64-65° с.ш.), однако, отдельные пещерные районы встречаются и значительно севернее. Несмотря на долгую историю исследования [3,4,5], карст и пещеры района остаются недостаточно изученными, как в географическом аспекте (немалая часть района практически не обследована), так и в спелеогенетическом, - что в немалой степени связано с труднодоступностью местности, а также с особенностями гидрологического режима многих пещер. Значительная часть пещерных тоннелей генетически связана с субмеридиональными новейшими тектоническими нарушениями, и с оперяющими субширотными [3].

Асимметрия (в сечении) русел пещерных рек, протекающих в субмеридиональном направлении, наблюдается в ряде пещер Пинего-Северодвинской карстовой области. Современные русла подземных рек, текущих в субширотном направлении, как правило, имеют сплюснутые сечения, симметричные относительно инициирующей трещины (рис.1а). С другой стороны, русла подземных рек текущие в субмеридиональном направлении, имеют четко выраженную асимметрию, с подмывом одной стенки тоннеля и смещением русла относительно инициирующей трещины. Нередко к этой трещине приурочены линейные зоны глыбовых завалов. (рис.1б,в).

Так в пещере Пехоровская - крупнейшей пещере Голубинского участка, на всем протяжении центрального хода (около 2-х км), заложенного по трещине субмеридионального простирания, подземная река (а в дальней части временный водоток), текущая с юга на север, подмывает левую (т.е. западную) стенку полости, часто глубоко в нее вдаваясь. По правой стенке нередко развиты мощные системы завалов. Пещера Ленинградская (Соткинский участок) характеризуется (что хорошо описано в литературе [5]) тремя морфологически различными участками: привходовым, дальним - субширотными, с относительно симметричными тоннелями; и центральным субмеридиональным. Подземная река на центральном участке (около 1 км), текущая на север, практически везде проходит у западной стенки, с системой крупных залов у восточной.

Для подземных рек, текущих в северном направлении, приуроченность русла к западной стенке наблюдается также в системе Географического Общества (Е-5,7) (Першковский участок), в ряде участков некоторых пещер Голубинского участка: пещера Победная (сист. Святого ручья), пещ. Медвежья Берлога (им. 60-летия Октября).

Для пещер бассейна р. Пинеги, характерно общее направление стока с запада на восток (в сторону Пинеги) и с юга на север (т.е. навстречу течения Пинеги) [3], вероятно - по направлению древнего стока. Пещерные реки южного направления стока достаточно редки, однако на некоторых участках (особенно бассейна Сотки-Кулоя) наблюдаются. При анализе описания некоторых таких пещер [4] выявляется приуроченность подземной реки к восточной стенке пещерного хода (пещера Северный Сифон) или смещение современного русла относительно древних на восток (пещера Конституционная).

Против гипотезы о влиянии вращения Земли на морфогенез пещер существуют серьезные возражения: 1) низкая величина силы Кориолиса; 2) несовпадение направления эрозии подземных русел и поверхностных (в рассмотренных примерах наблюдается подмыв левых бортов рек, тогда как на поверхности - правых берегов); 3) наличие русел с иной направленностью эрозии (известна крупная подземная река со стоком на север - пещера Кумичевская [4]), почти на всем протяжении текущая вдоль восточной стенки пещеры; а также ряд мелких).

Разберем эти доводы подробнее: для современных русел подземных рек Беломорско-Кулойского плато вне зон обрушений характерны сплюснутые сечения, с обычным соотношением ширины хода к высоте (l/h = 3-15). При этом соотношение ширины потока к средней меженной глубине обычно еще в 1,5-3 раза больше. Наиболее очевидная причина в снижении скорости растворения на дне потока - за счет бронирования аллювиальными отложениями. Правильно предположить, что действие силы Кориолиса не ограничивается простым давлением на стенку пещерного тоннеля, а имеет более сложный механизм, вследствие турбулентного движения потока воды (рис.2).

Рассматриваемые пещеры имеют ярко выраженный паводковый режим, с наиболее мощным весенним снеговым и менее интенсивным осенним дождевым пиками расхода воды, обычно в десятки раз превышающим меженный. С одной стороны, это значительно увеличивает разницу в давлении, вызванную силой Кориолиса во время паводка. С другой стороны, в условиях почти строгой горизонтальности пола и потолка, что хорошо видно на субширотных участках, незначительное смещение вектора сил сможет привести к некоторому "отжиманию" аллювия, как более тяжелой фракции, по направлению действия силы Кориолиса. В этом случае в меженный период водоток будет протекать по сформированному углублению, вызывая его дальнейший рост. Если в паводок работает механизм преимущественно коррозионный, то в межень - эрозионный. Первый зависит главным образом от мощности потока, второй - от длительности воздействия и состава вод.

Существование пещерных рек с противоположным направлением смещения русла объясняется либо повышенной эрозионной компонентой размыва (так, пещера Кумичевская имеет мощное инфлюационное озерное питание [4]), сменой (глобальной или сезонной) направления стока, либо другими малоизученными факторами.

Интересно отметить, что впервые гипотеза о влиянии вращения Земли на морфогенез пещер была сформулирована на основе анализа приписываемой В.Я.Демченко топосъёмки известняковой пещеры Понерётка (расположенной на Валдайской возвышенности, 580с.ш). Зафиксированное общее направление смещения русла на субмеридиональных участках - к правому берегу.

Рис.1. Типичные сечения русел пещерных рек: а - субширотное течение; б - субмеридиональное течение; в - субмеридиональное, обвальный подтип (пунктир - инициирующие трещины) Рис.2. Блок диаграмма, демонстрирующая динамику выработки руслом подземной реки пещерного тоннеля. Активная эрозия левого борта потока обусловлена турбулентным движением воды. Возникновение турбулентности обусловлено действием силы Кориолиса.

Асимметрия русел подземных рек может быть объяснена и другими факторами: 1) тектонический - смещения в ходе новейших тектонических движений земной коры [2]; 2) эрозионный - постепенное смещение русла за счет незначительного наклона пластов. Эти идеи заслуживают внимания. Смещение русел коррелируется с весьма пологим региональным падением пластов на запад, а для тоннелей характерно формирование на пересечении субвертикальных тектонических трещин и субгоризонтальных трещин напластования либо фациальных границ. Однако, встречаются пещеры, развитые в пределах одного пласта, или же на своем протяжении секущие несколько пластов.

Автор в особенности благодарен В.Н. Малкову и Е.В. Шавриной за предоставленные материалы и помощь в организации экспедиций. Автор также благодарит В. Еремеева, А. Пырина и А. Семиколенных за помощь в проведении полевых исследований.

Литература

1. Большая Советская Энциклопедия. - М.: Советская Энциклопедия, 1969-1978. - т. 4, с. 568; - т. 13, с. 521-522.
2. Коврижных Е.В., Саенко И.И., Голод В.М. Гипсовый карст севера Русской равнины: вопросы эволюции и динамики развития.// Европейская региональная конференция по спелеология, т. 2.- София, 1983.- с.304-311.
3. Малков В.Н., Шаврина Е.В. Голубинские пещеры на р.Пинеге. // Социально-экономические проблемы Европейского Севера. - Архангельск, 1991.- с. 175-191.
4. Отчеты экспедиций архангельских и ленинградских спелеологов из архивов Пинежского государственного природного заповедника.
5. Пещеры Пинего-Северодвинской карстовой области. - Л., 1974.

______________________________

¹ Эффект, учитываемый силой Кориолиса, состоит в том, что во вращающейся системе отсчёта материальная точка, движущаяся не параллельно оси этого вращения, отклоняется по направлению перпендикулярному к её относительной скорости, или оказывает давление на тело, препятствующее такому отклонению. На Земле этот эффект, обусловленный её суточным вращением, заключается в том, что свободно падающие тела отклоняются от вертикали к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной поверхности в направлении меридиана, отклоняются в северном полушарии вправо, а в Южном - влево от направления их движения. Эти отклонения вследствие медленного вращения Земли весьма малы и заметно сказываются или при очень больших скоростях движения (например, у ракет и у артиллерийских снарядов с большими дальностями полета), или когда движение длиться очень долго (например, подмыв соответствующих берегов рек - закон Бэра; возникновение некоторых воздушных и морских течений и др.)

² Нетрудно показать, что при азимутальном движении ускорение Кориолиса будет равно: 2 w v sinα cosβ, где β - азимут направления движения.

Интенсивность испарения льда

Загадка Пинежского метеорита