Представления о процессах конденсации подземных вод учеными конца XIX и начала XX вв.

В 1877 г. в Главном Собрании общества немецких инженеров во Франкфурте на Майне с докладом о происхождении подземных вод выступил инженер Отто Фольгер. Он очень резко обрушился на инфильтрационную теорию происхождения подземных вод и выставил ряд положений которые, по его мнению, неопровержимо доказывают лживость этой теории и необходимость при­знания универсального значения теории конденсации под­земных вод. На указанном Собрании он защищал тезис: «подпочвенная вода никогда не происходит от дождевой воды». Его вывод резко противоречил общепринятому мнению, выраженному известным немецким ученым Петенкоффером: «вся вода, заключенная в земле, обязана своим происхождением дождевой воде». Возражения О. Фольгера против господствовавшей инфильтрационной теории про­исхождения подземных вод сводятся к следующему:

1. Количество воды, выпадающей во время даже самого сильного дождя, недостаточно для того, чтобы проникнуть глубоко в почву.
2. Условия, царящие в недрах земли, не позволяют большому количеству воды проникнуть вглубь в жидкой форме, как это обыкновенно принимается. Подземная вода образуется в результате сгущения заключенных в воздухе паров при их соприкосновении с прохладной подпочвой.

В опровержение первого утверждения Фольгера можно заметить, что не наиболее сильный дождь, а слабый, дли­тельный, так называемый обложной дождь, постепенно проникает глубоко в землю. Фольгер указывает, что после сильного дождя поверхностные слои земли, например садовой почвы, бывают насквозь пропитаны водой подобно губке, между тем как на глубине всего несколько деци­метров пропитывания водой уже не наблюдается, и ниже слои земной коры остаются совершенно сухими. Этот факт легко поддается объяснению, так как именно садовая земля, «как губка» вбирая в себя большую часть атмосфер­ных осадков, позволяет им затем испариться. Опыты Эбермайера показали, что богатая перегноем садовая почва пропускает наименьшее количество воды.

С другой стороны, Г. Н. Высоцкий указывал, что даже на глубине 2 м подпочва заключает еще значительное коли­чество воды. Ниже приводятся величины заключенной в почве влаги, выраженные в процентах к весу почвы, для разных глубин и типов почв, определенные Высоц­ким:

Следовательно, на глубине нескольких дециметров нахо­дятся не «сухие слои земли», как считает Фольгер, а влаж­ные. Даже на глубине 20 дм наблюдается еще значитель­ная влажность, мало отличающаяся в процентном отно­шении от влажности, имеющейся на глубине 5 дм.

Свой второй тезис Фольгер подкрепляет следующими словами: «если бы земля поглощала воду в такой степени, как то предполагают сторонники оспариваемой мной тео­рии, то каким же образом могли бы мы встречать реки, которые текут от вершин гор и до самого моря. Разве река не растеряла бы на своем пути всю свою воду, если бы зем­ля обладала такой водопоглощающей силой?».

В данном случае Фольгер не учел того, что дно рек и озер обычно покрыто слоем глинистого, не пропускаю­щего воду материала. Там, где такого слоя нет, вода рек и озер просачивается в глубину до тех пор, пока не встре­тит водонепроницаемый слой. В последнем случае проса­чивание продолжается, пока породы, лежащие между водонепроницаемым слоем и ложем реки или озера, не будут пропитаны водой до полного насыщения их.

Насыщенная водой глинистая горная порода сама пред­ставляет водонепроницаемую толщу, которая к тому же на той или иной глубине может быть замещена слоем водонепроницаемой породы, например глинистым сланцем.

То, что под таким покровом могут оставаться сухими тун­нели, горные выработки и т. п., само собой понятно и не опровергает дождевой теории и не подтверждает тео­рии Фольгера, как он того желал бы. Там, где уровень воды стоит ниже дна реки, там реки исчезают вполне или отчасти.

Давно известно, что реки в некоторых случаях уходят в землю. Так, например, Дунай пропадает у Иммердингера, и появляется вновь в Ахе. Река Молочная в При­азовье, водообильная весной, часто пересыхает летом.

Утверждение Фольгера о том, что фекальные вещества не доходят до грунтовых вод, не может быть принято ни одним гидротехником, занимавшимся устройством колод­цев в старых городах.

Устройство земляных плотин для удержания воды в реках также не может служить опровержением инфильтрационной теории, так как для этого употребляются только глинистые породы, а Рейн, сдерживаемый плоти­нами в Голландии, о чем упоминает Фольгер, течет так медленно, что он сам покрывает свое ложе непропускаю­щими воду илистыми осадками. Б. Зальмах приводит примеры из окрестностей г. Галле на р. Шпрее, а также из долины Эльбы, где река имеет водонепроницаемое ложе, хотя и течет по галечным отложениям.

На связь между количеством воды в источниках и коли­чеством выпадающих дождей указывалось так часто, что уже одно это опровергает теорию Фольгера.

Гипотезу Фольгера критически рассмотрел австрийский метеоролог Ю. Ганн. Он пишет: «Как известно, почва бывает одну половину года теплее, другую половину года холоднее, чем воздух; таким образом, конденсация водяных паров воздуха может иметь место только в эту вторую половину, т. е. только в течение 180 дней. В Вене количество осадков в году равняется в среднем 600 мм, из которых, предположим, одна третья, т. е. 200 мм, согласно господствующему мнению, поглощается почвой. По гипотезе Фольгера, каждый день, должно было бы посту­пать из воздуха в почву немного больше 1 мм и в сред­нем в самое благоприятное время года, в июле,— 2 мм. Воз­дух в Вене в июле содержит 11,4 г водяных паров в 1 куб. м. В это время температура почвы на глубине 10 м равна 10 С. От 10 до 30 м глубины температура остается почти одной и той же. До этой глубины и оседает та часть заклю­ченного в воздухе водяного пара, которая должна кон­денсироваться при 10° С. Количество паров, могущих содержаться в воздухе при такой температуре, равняется 9,4_г в 1 куб. м и, следовательно, проникая на эту глубину, каждый куб. м воздуха теряет 11,4 — 9,4 = 2 г водяных паров. Чтобы доставить 2 мм воды, т. е. 2 кг воды на каждый квадратный метр поверхности, сообразно с этим 1000 куб. м воздуха должны проходить в 24 ч через каждый квадрат­ный метр поверхности почвы, т. е. в сущности за 12 ч, так как воздух должен снова возвращаться на земную поверх­ность. Водяные пары, которые, конденсируясь, дают 2 кг воды, должны в круглых цифрах отдать почве 1200 еди­ниц теплоты.

Такого количества тепла достаточно, чтобы повысить температуру 1 куб. м воды на 1,2° С и 1 куб. м почвы на 2,4° С, так как теплоемкость почвы, приблизительно, наполовину меньше теплоемкости воды. Этот приток тепла должен был бы в течение месяца повысить среднюю тем­пературу верхних 30 м земной коры, где только и может происходить конденсация, на 2,4° С. За целое же лето конденсация (200 м — 200 кг конденсированных водяных паров) могла бы нагреть почву на 7,2° С, т. е. земля скоро сделалась бы настолько теплой, что конденсация оказалась бы невозможной. Уже, примерно, после первого месяца процесс конденсации сам себя ограничил бы, и на 1 кв. м земной поверхности едва могло бы конденсироваться 60 г. водяных паров. Иначе нельзя себе представить, куда денется освобождающееся тепло». Это рассуждение раз­бивает гипотезу Фольгера.

И действительно, почему ежедневно через каждый квадратный метр поверхности почвы проникает на глу­бину до 10 ж и выходит обратно 2000 см³ воздуха? Это тем более непонятно, если учесть, что летом почва холод­ней и почвенный воздух тяжелее наружного воздуха. Зимой температура почвы выше температуры воздуха, поэтому водяные пары из воздуха не могут конденсировать­ся в почве. Непонятно также, каким образом воздух может продолжать циркулировать в порах почвы, наполненных конденсированной водой.

И. Лизнар, исследовавший месячные колеба­ния уровня подпочвенных вод в 12 колодцах б. Австро-Венгрии и одном колодце в Моравии, пришел к следую­щему заключению: «...наиболее низкий уровень подзем­ных вод наблюдается летом; следовательно, в это время из почвы уходит больше воды, чем может войти в нее. Но если даже в наиболее благоприятное для образования подземных вод время в почву поступает меньше воды, чем уходит из нее, то как может возместить эту потерю зима — время, наименее благоприятное для конденсации? По теории Фольгера, если летом взято из почвы больше воды (а это доказывается наблюдением, потому что иначе уровень воды в колодцах не понижался бы), чем вошло в нее, то в следующую весну уровень подземных вод должен был бы стоять ниже, чем в предыдущую, а так как в сле­дующее лето произошло бы то же самое, то в конце концов вода из почвы должна была бы вовсе исчезнуть, что, оче­видно, противоречит действительности».

Совсем другое значение, чем общая влажность воздуха, имеет для почвенных вод роса и особенно туман. Роса играет незначительную роль, так как она почти целиком поглощается растительностью; однако и она, проникая в почву, несколько уменьшает испарение почвенных вод. Лишь изредка роса бывает такой обильной, что влияет на количество поверхностной или подземной воды.

В.  Шёне наблюдал близ г. Сапиано на периферии карстовой области питание росой ручейка. Роса в нашем климате составляет 4—5% общего количества осадков. В бездождных областях воздух по ночам охлаждается ниже точки росы. Здесь росу собирают в искусственно устроенные водоемы — пруды росы.

Туман образуется в нижних слоях атмосферы. Обще­известно, что во время тумана земля бывает влажной. Так как относительная влажность тумана очень значи­тельна, то его точка росы лежит непосредственно ниже температуры воздуха.

Туман имеет особое значение для питания некоторых, особенно горных, источников. Летом после долгого без- дождия, приведшего как в долинах, так и на склонах к пересыханию многих ключей, Г. Гефер нашел на вершине Цирбицкогеля (2397 м) к югу от Юденбурга (Штирия) хотя и не обильный, но все же бьющий источник. Вершина Цирбицкогель сложена сильно трещиноватым слюдистым сланцем. Вследствие ее высокого положения над уровнем моря, на ней господствует очень низкая тем­пература. В течение бездождия она была часто и подолгу окутана туманом. Средняя температура слагающей вер­шину породы, вероятно, очень близка к 0° С, вследствие чего при соприкосновении с ней туман конденсировался. При этом конденсация происходила не только на поверх­ности, но и во всех многочисленных расселинах и тре­щинах. Конденсация в последних приводила к разреже­нию в них воздуха, в результате чего в трещины втяги­вались новые порции тумана, и таким образом процесс конденсации не прекращался. Образовывавшаяся при этом вода опускалась глубже и глубже и снова появлялась в виде ключа в какой-нибудь боковой трещине.

Позднее, в связи с изысканиями, связанными с водо­снабжением г. Вольфсберга, Г. Гефер ближе занялся очень богатыми водой источниками карнийской стороны Альп вблизи домика туристов. Эти источники лежат при­близительно на 240 м ниже гребня и на 397 м ниже вер­шины Большого Шпейккогеля, которая в летние без­дождия бывает очень часто окутана туманом к великому неудовольствию туристов. Количество воды в этих источ­никах, согласно данным многочисленных измерений, колеблется между 10 л/сек зимой и 22 л/сек летом. Даже в исключительно бездождное лето 1911 г. эти источники имели так много воды, что водоснабжение Вольфсберга нисколько не пострадало от засухи. Г. Гефер полагает, что и эти горные ключи, из которых одна группа постоянно имеет 3,9° С, а другая 4,2 °С, питаются в значительной степени за счет конденсации тумана. Количественное зна­чение этого фактора могут выяснить только метеорологи­ческие наблюдения.

А. С. Барков, разбирая конденсационную и инфильтрационную гипотезы, также приходит к выводу, что первая из этих гипотез должна считаться правильной по отно­шению к горным источникам и ледяным пещерам. Уже Де-Ла-Метри  говорил в своей «Теории Земли», что наряду с дождевой водой грунтовые воды на высоких горах питаются в значительной мере за счет конденсации тумана и туч.

Ю. Ганн пишет в своем труде «Руководство по климато­логии»: «Мы теперь знаем, что даже в самом густом тумане на 1 м³ содержится не более 5 г воды. Поэтому, чтобы из спокойного тумана получить 1 мм осадков, надо иметь колонну водяных шариков в 200 м высотой. Однако доста­точно движения воздуха только в 5,5 см в секунду, чтобы заставить пройти над известным пунктом поверхности массу воздуха в 200 кубических метров. Поэтому движу­щийся туман легко может отдать большое количество влаги».

Суждения различных авторов конца XIX в. о значении туманов в образовании подземной воды невольно приводят на память слова М. Ю. Лермонтова: «Ночевала тучка золотая на груди утеса великана. Утром в путь она умчалась рано по лазури, весело играя. Но остался влаж­ный след в морщине старого утеса. Одиноко он стоит, заду­мался глубоко и тихонько плачет он в пустыне».