3.18. Звуки, распространяющиеся на большие расстояния

Мой дом расположен в холмистом пригороде Кливленда, который носит название Кливлендские высоты. Они возвышаются над равнинной местностью, раскинувшейся вокруг озера Эри, по ней у подножья Кливлендских высот проходит железная дорога. Я заведомо не вижу поездов не только потому, что железная дорога далеко, но еще и потому, что ее закрывают и горный хребет, отделяющий наш район от равнины, и тысячи деревьев и домов. Тогда почему иногда по ночам в моем доме так хорошо слышен шум поездов?

Иногда грохот повторяющихся взрывов, например артиллерийскую стрельбу, можно слышать лишь в некоторых зонах вокруг места взрывов. Если вы будете удаляться от этого места, в первой (центральной) зоне громкость звука будет падать, во второй звук исчезнет, но в третьей зоне звук опять появится. Почему возникают такие зоны?

Когда в 1980 году в штате Вашингтон произошло извержение вулкана Сент-Хеленс, при этом выделилась энергия, эквивалентная нескольким мегатоннам в тротиловом эквиваленте. Почему взрыв не был слышен ближе ста километров от места извержения?

Во время Первой мировой войны близ Мессин, к югу от бельгийского города Ипр, британские солдаты целый год копали тоннели под линией немецких укреплений на глубине 30 м. Когда 21 тоннель был готов, в них заложили около 45 т взрывчатых веществ и в полночь 7 июня 1917 года взорвали 19 из 21 закладок (две не сработали), что было на тот момент самым мощным рукотворным взрывом. Взрыв услышали в Лондоне и даже в Дублине, то есть за сотни километров от взрыва. Как мог звук от взрыва распространиться на такое расстояние? (Одна из двух невзорвавшихся закладок неожиданно сработала во время грозы в 1955 году, к счастью, убив лишь одну корову. Оставшаяся закладка, местоположение которой известно приблизительно, еще может взорваться, и для местных жителей это источник постоянной тревоги.)

ОТВЕТ • Распространяющаяся под углом к вертикали звуковая волна изменяет направление своего распространения, если по дороге меняется температура воздуха. Говорят, что звуковая волна подвергается рефракции. Если температура уменьшается, волна будет распространяться под меньшим углом к вертикали. Если температура повышается — угол по отношению к вертикали увеличится, волна даже может развернуться и направиться обратно к земле. Я отчетливо слышу шум проходящего вдали поезда в те ночи, когда слои воздуха высоко над железной дорогой нагреты больше, чем воздух в низине. Такое явление называется инверсией. В такую ночь некоторые звуковые волны, испускаемые поездом, отражаются от нагретых слоев и направляются вниз к Кливлендским высотам, и тогда все местные жители отлично слышат их (рис. 3.2).

Рис. 3.2 / Задача 3.18. При инверсии, то есть при увеличении температуры с высотой, траектории звуковых волн искривляются и направляются вниз к земле.

В старину этот эффект — распространение звуковой волны на большие расстояния при инверсии — был хорошо известен. Например, зулусы знали, что они смогут переговариваться, находясь на разных берегах долины шириной до 2 км, если дождутся вечера, когда воздух в низине станет более холодным, чем наверху.

Когда звуковые волны от места взрыва распространяются по воздуху вверх на большие расстояния, они могут направиться обратно к земле из-за повышенной температуры в нижних слоях стратосферы[51] (ниже стратопаузы, находящейся на высоте 42 км) и в нижних слоях термосферы (выше мезопаузы, располагающейся на высоте 85 км). Звуковая волна тогда может вернуться на землю поразительно далеко от источника звука — гораздо дальше, чем если бы она распространялась вдоль поверхности земли, где ей мешают деревья, дома и другие препятствия. Таким образом, звук можно услышать в более удаленных зонах, чем первая (центральная). Если этот вернувшийся на землю звук отразится от земли, он может испытать еще одно отражение наверху и вернуться на землю в другой, еще более отдаленной зоне.

Когда извергался вулкан Сент-Хеленс, колебания давления (которые возникают, в частности, из-за вылетающих из вулкана продуктов взрыва) были слишком медленными, чтобы человек мог их услышать. Поэтому в Толедо, расположенном на расстоянии 54 км от вулкана, волна сжатия не была слышна (и не причинила никакого вреда стеклам и другим хрупким предметам). Однако, отразившись от стратосферы, волны направились обратно к земле. Они вернулись на землю на расстоянии больше 100 км от вулкана, и тогда колебания давления в волнах сжатия происходили уже достаточно быстро (возможно, из-за отражения от движущихся слоев в атмосфере), чтобы человеческое ухо их уловило.

Звук от взрыва близ Мессин тоже дошел до стратосферы, а затем спустился обратно на землю. Однако, в отличие от взрыва вулкана Сент-Хеленс, колебания давления в месте взрыва происходили быстро, и находившиеся поблизости солдаты услышали звук оглушительной силы.

Направление распространения звука зависит также от ветра. Если волна движется вверх от земли с подветренной стороны, направление ее распространения меняется и она возвращается на землю где-то «ниже по течению ветра». Иногда этот звук возвращается на землю невероятно далеко от источника звука.