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.

В Гражданской войне в США (1862–1865) командующие обеих сражающихся армий — федеральной и армии конфедератов — очень зависели от сигналов, оповещающих о начале сражения и местах дислокации войск. В некоторых случаях для того, чтобы атаковать неприятеля с двух разных направлений, командующие делили войско на две части. Скоординировать действия этих частей в то время можно было единственным способом — обеспечить, чтобы звуковой сигнал начала атаки одной части войска был услышан другой. Расчет на такой способ коммуникации казался разумным, поскольку эти части обычно располагались на расстоянии не больше нескольких километров друг от друга. Но иногда в решающие моменты он подводил.

Этот странный эффект был отмечен в июне 1862 года военным министром конфедератов и одним из его советников, наблюдавшими за битвой при Гейнс-Милл с вершины холма, находившегося не далее 2 км от поля сражения. В битве участвовало не менее 50 000 человек и более 100 артиллерийских орудий, издававших ужасный грохот, буквально оглушавший сражавшихся. Но оба наблюдателя, в течение двух часов следившие за этой битвой, не слышали ровным счетом ничего. Как такой ужасный шум сражения могли не услышать на расстоянии всего нескольких километров?

ОТВЕТ • Существует три главные причины того, почему эту невероятно шумную битву могли не услышать на расстоянии всего в несколько километров. 1. Густой лес мог мешать распространению звука, поглощая звуковые волны. 2. Звуковые волны, испущенные с уровня земли, вместо того чтобы пойти по более-менее горизонтальной траектории, шли по искривленной траектории вверх — из-за изменения температуры воздуха с высотой. 3. Траектория звуковой волны могла искривиться из-за ветра.

Поскольку первая причина не имела места, рассмотрим вторую и третью причины. Если температура воздуха уменьшается с высотой, звуковые волны, испущенные даже под небольшим углом к земле, в конце концов пойдут по более крутой траектории вверх и, следовательно, не достигнут наблюдателя, находящегося на земле в нескольких километрах от источника звука (рис. 3.3а). Но скорость ветра обычно увеличивается с высотой, и если звук распространяется в направлении ветра, его траектория изогнется уже в направлении земли, и тогда звук будет слышен (рис. 3.3б). Однако, если звук испускается против ветра, траектория звуковой волны изогнется вверх от земли, и звук услышан не будет.