Занимательное волноведение. Волнения и колебания вокруг нас - Гэвин Претор-Пинней

Вот почему в туманный день вы слышите колокольный звон, который в обычную погоду до вас не доносится

Вы можете подумать, что на самом деле Второй закон волны никакого отношения к распространяющимся через воздух звуковым волнам не имеет — волны ведь не пересекают границу, «переходя из одной среды в другую». Однако для изменения направления волнам необходимо всего-навсего изменить скорость. А для этого достаточно плавной смены характеристик среды, в которой они находятся, например, изменения температуры воздуха. Скорость волн при таком условии меняется, и нет необходимости ни в резкой границе между средами, ни в наличии принципиально иной среды.

Моряки, оказываясь в тумане слишком близко от берега, давно уже научились оборачивать звуковую рефракцию себе на пользу. До изобретения радара, не говоря уж о GPS-навигации, нахождение судна в прибрежных водах зачастую оканчивалось трагически.

Однако мореходы, вооруженные знанием о том, что в условиях температурной инверсии звуковые волны проходят над морской поверхностью большее расстояние, изобрели грубое подобие эхолокатора — они кричали в туман, прислушиваясь к отражавшемуся от прибрежных скал эху. Улавливая направление, откуда шло отражение звука, и высчитывая секунды, затраченные отраженным звуком на путь, моряки худо-бедно представляли себе местонахождение береговой линии — чем период запаздывания короче, тем большая земля ближе. А поскольку прохладный воздух у самой воды направлял отраженный звук вниз, до моряков доносилось эхо, возвращавшееся с большего, нежели обычно, расстояния.

* * *

Мне радостно сознавать, что попытка использовать принцип рефракции для улавливания происходящего на другом конце мира помогла объяснить загадочный Розуэллский инцидент 1947 года; благодаря этому событию тихий городок посреди пустыни в штате Нью-Мексико обрел статус мировой столицы НЛО. Только не подумайте, будто я питаю нездоровое пристрастие к инопланетянам и пустыне.

Разобравшись в сути процесса рефракции, мы похороним одну из самых живучих теорий заговоров: почему обломки НЛО были найдены возле Розуэлла, а факт их обнаружения тщательно скрыт запаниковавшим военным чином. Началась же вся эта история с одного ученого.

Во время Второй мировой войны доктор Морис Юинг, геофизик из Океанографического института Вудс-Хоул, штат Массачусетс, сделал открытие, связанное с проходящими через океанические толщи звуковыми волнами. Юинг специализировался на изучении строения морского дна с помощью звуковых волн, и потому ВМС США поручили ему исследовать поведение звука под водой — от этого в немалой степени зависел исход так называемой войны субмарин. В 1943 году ученый доказал существование подводного звукового канала на глубине около километра (в зависимости от географической широты). Канал улавливает звуковые волны; распространяясь внутри канала, они проходят гораздо большие расстояния. В основе же такого поведения волн лежит принцип рефракции.

В типичной океанической акватории средних широт скорость звуковых волн, распространяющихся через поверхностные слои воды, равна примерно 5 500 км/ч (широта имеет значение, поскольку температура воды на экваторе и на Южном или Северном полюсе сильно разнится). По мере погружения температура понижается, а значит, и скорость замедляется: до 5 310 км/ч на глубине около 1,2 км. На еще большей глубине температура перестает падать, однако давление воды по-прежнему растет. Благодаря растущему давлению звук снова набирает скорость. На глубине около 5 км скорость звука возвращается к цифре 5 500 км/ч. В подводном звуковом канале на глубине чуть менее километра звук идет с самой низкой скоростью (в теплой воде тропиков подводный звуковой канал находится глубже; чем ближе к полюсам, тем глубина залегания канала меньше). Благодаря эффекту рефракции глубина подводного звукового канала также является областью задержки большей части энергии, переносимой звуковой волной — волна не может распространяться ни вверх, ни вниз, а только по горизонтальной плоскости.

Представьте себе кита-горбача, издающего звуки на глубине подводного звукового канала. В обычной ситуации звуковые волны распространялись бы от кита непрерывно расширяющимися окружностями. Однако попадая в подводный звуковой канал, части волны, идущие в направлении поверхности, ускоряются и поворачивают к земле, а части, направлявшиеся вглубь, ускоряются и устремляются вверх. Благодаря «потолку» более высоких температур и «полу» все возрастающего давления, волны распространяются не в виде окружностей, а в виде непрерывно расширяющихся цилиндров. Песня кита-горбача в ограниченном водном пространстве будет слышна и другим находящимся в канале китам, распространяясь на сотни километров. Еще в 1970-х годах морские биологи предположили: киты-горбачи и другие китообразные, например высоколобый бутылконос, используют подводный звуковой канал для общения друг с другом. Но к единому мнению относительно истинности этой гипотезы до сих пор не пришли.

Неизвестно, когда о подводном звуковом канале стало известно китам, однако среди людей первым человеком, обнаружившим его существование, стал Юинг. Канал назвали каналом звуколокации; ВМС США щедро финансировали исследования Юинга, надеясь потом использовать канал в военных целях. Юинг предложил создать сеть подводных микрофонов, или гидрофонов, которые предполагалось задействовать при поиске потерпевших крушение над океаном пилотов. Терпящий бедствие летчик опускает в воду полый металлический шар, называемый шаром канала звуколокации. Шар погружается в воду и на глубине около километра под давлением воды взрывается, порождая внутри подводного звукового канала звуковую волну. Сигнал засекают на расстоянии сотен тысяч километров и методом триангуляции, сравнивая данные разных гидрофонов, определяют местоположение летчика.

Так как в мирное время все внимание военных было сосредоточено на Советском Союзе, Юингу, в то время работавшему уже в Колумбийском университете, поручили разработать механизм обнаружения проводимых русскими ядерных испытаний. Юинг уже догадался, что тот же самый принцип применим не только в океане, но и в атмосфере — в воздухе должен быть такой же звуковой канал, поскольку с высотой атмосферная температура меняется. Что, если через воздушный звуковой канал, называемый атмосферным волноводом, можно улавливать взрывы, происходящие на другом конце земного шара?

В среднем воздух тропосферы с увеличением высоты охлаждается. Тропосфера — нижний слой атмосферы: примерно 11 км над полюсами и 18 км над экватором. Граница между тропосферой и стратосферой отмечается повышенной концентрацией озона и других газов, которые поглощают солнечное тепло гораздо охотнее, чем газы в тропосфере. Итак, по мере того, как вы переходите границу тропосферы, воздух перестает охлаждаться, но еще не начинает вновь нагреваться в нижней части стратосферы. Другими словами, образуется своего рода «бутерброд»: область холодного воздуха в верхней части тропосферы, зажатая более теплым воздухом снизу и сверху. Поскольку скорость звука зависит от температуры воздушной среды, эта область холодного воздуха в атмосфере ведет себя аналогично подводному звуковому каналу. Внутри «бутерброда» с более холодным воздухом звуковые волны задерживаются, поскольку те части волны, которые шли вверх или вниз, ускоряясь в более теплом воздухе, устремляются к середине канала. Как и в случае с подводным звуковым каналом, на высоте, где распространение звука замедляется, волны энергию теряют.