В своей жизни вы наверняка сталкивались с дождём, а также такими яркими проявлениями плохой погоды, как гром и молния. Не возникал ли у вас когда-нибудь вопрос, почему молния с разных расстояний выглядит примерно одинаково (конечно, чем ближе, тем ярче), а звук грома от ударившей неподалёку молнии — резкий, как удар молотка по железу — совсем не похож на раскатистый звук от идущей вдалеке грозы?
Можно придумать несколько объяснений этого явления, но только одно из них будет правильным.
Звук, в общем-то, это волна, проходящая через какую-либо среду: газ (например, воздух), жидкость (например, воду) или твёрдое тело (например, Землю). Если вы когда-нибудь интересовались сейсмическими волнами, проходящими через Землю, то вы можете знать по крайней мере о двух типах волн.
Продольная волна (или P-волна) представляет собой серию сжатий и разрежений. Если взять известную игрушку-пружинку, положить её на стол, слегка растянуть и начать двигать её часть туда и сюда вдоль поверхности стола, вы увидите подобные волны.
Поперечная волна (или S-волна), которая представляет собой серию сдвигов — пиков и впадин. Если вы с приятелем возьмётесь за разные концы пружинки и начнёте двигать рукой вверх-вниз, вы увидите поперечные волны.
Эти два класса волн имеют разную скорость распространения в любой среде, поэтому можно было бы решить, что чем дальше вы находитесь, тем больше разница во времени прихода различных частей волны, что приводит к «растягиванию» звука. Однако это не так.
Если продольные P-волны могут проходить через твёрдые тела, жидкости и газы, то поперечные S-волны могут проходить только через твёрдые тела. Звук грома распространяется только по воздуху, и для случая, когда у нас нет поперечных S-волн, это объяснение не подходит.
Гром — это звук, возникающий в результате удара молнии: быстрой передачи огромного количества электрического заряда в течение всего лишь малой доли секунды. При ударе молнии в облако или из облака в землю обычно перетекает до нескольких кулонов (т. е. более ~1019 отдельных электронов). При быстром движении электроны нагревают и даже ионизируют молекулы воздуха вокруг себя, создавая очень кратковременное состояние плазмы и заставляя воздух быстро расширяться.
Это быстрое расширение выталкивает окружающий воздух наружу, а затем (поскольку вдоль траектории, по которой шла молния, образовалась область с низкой плотностью) воздух устремляется обратно, чтобы заполнить образовавшееся разреженное пространство. Быстрое расширение и сжатие создаёт ударную волну — волну давления, в которой чередуются явления сжатия воздуха (т. е. более «плотные» части) и разрежения воздуха (т. е. менее плотные, или более «расширенные» части), распространяющиеся по воздуху.
Это движение воздуха толкает частицы по цепочке, и эти сжатия и разрежения перемещаются по воздуху, пока не достигнут барабанной перепонки человека, где изменения давления заставляют барабанную перепонку вибрировать — и вот вы слышите раскат грома.
В связи с этим можно задаться вопросом, не существует ли каких-то вариаций скорости звука, которые могли бы повлиять на то, как его слышат разные наблюдатели. Например, что если бы скорость звука зависела от частоты? Другими словами, что если бы «басовые», низкочастотные волны распространялись со скоростью, отличной от средних или высоких звуков?
Этот эффект имеет место, и особенно его практическое значение заметно в условиях низкой плотности атмосферы — например, на Марсе. В марсианской атмосфере высокочастотный звук распространяется примерно на 4% быстрее, чем низкочастотный, что означает, что время прихода различных звуков будет растягиваться тем больше, чем дальше вы находитесь от источника звука.
Но на Земле скорость звука почти не меняется в зависимости от частоты, поскольку наша атмосфера гораздо плотнее марсианской. От сверхнизкой частоты 10 Гц (ниже порога слышимости человека, граница которого находится на частоте около 20 Гц) до небольшой частоты 100 Гц скорость звука изменяется всего на 0,1%, а затем от 100 Гц до самых высоких частот, которые может слышать человек с неповреждённым слухом (около 20 000 Гц), скорость звука остаётся постоянной. На Земле эта зависимость от частоты пренебрежимо мала и не может быть причиной «растягивающего» звук эффекта.
Если вы хотите сами услышать разницу, то на сайте канадского правительства есть запись одного и того же громового звука, возникающего при ударе молнии из облака в землю, в том виде, в каком его можно услышать на разных расстояниях:
-
с расстояния 8 км,
-
с расстояния 3 км,
-
с расстояния 2 км,
-
с расстояния 1,6 км,
-
с расстояния всего 300 м.
Если вы проведёте частотный анализ приходящих волн, то обнаружите, что чем дальше вы находитесь, тем меньше вы слышите звуковые волны более высокого тона.
Зависимость скорости звука от температуры
Зависимость скорости звука от влажности
Зависимость скорости звука от частоты (источник)
Это реальный эффект, но он не связан с тем, что волны проходят через атмосферу Земли быстрее или медленнее в зависимости от их частоты. Это связано с движением частиц воздуха: проще смещать туда и сюда частицы несколько раз в секунду, чем много раз в секунду. Другими словами, звуковые волны более высокой частоты легче поглощаются и рассеиваются средой (в том числе и в атмосфере Земли), через которую они проходят, чем звуковые волны более низкой частоты.
Кроме того, присутствие воды в атмосфере — влажность — также поглощает звуковые волны, причём в зависимости от частоты. Это объясняет, почему издалека слышен исключительно басовый гул, а не вблизи, но не объясняет, почему более отдалённые звуковые волны растягиваются примерно в три раза дольше, чем близкие.
Однако существуют три вполне реальные вещи, которые изменяют скорость звука в такой среде, как воздух: ветер, плотность и температура.
У ветра дополняющий эффект: если он дует от вас в сторону источника молнии, звук грома доходит до вас дольше. Если ветер дует в вашу сторону от источника молнии, звук грома доходит быстрее. Однако ветер не распространяется с одинаковой универсальной скоростью во всех точках, и это важно — ведь удар молнии затрагивает не просто точку, а «линию» в трёхмерном пространстве. Если скорость ветра на линии прямой видимости от слушателя до разных точек вдоль траектории молнии различна, то звук от них придёт раньше или позже, в зависимости от скорости ветра между слушателем и местами, где прошла молния.
Плотность обычно меняется в зависимости от высоты: чем выше вы поднимаетесь над уровнем моря, тем разреженнее воздух, а чем ближе к уровню моря, тем он плотнее. Это означает, что звук от верхних частей молнии обычно движется медленнее (и, следовательно, приходит позже), чем звук от молнии, возникающий на меньших высотах (который и приходит раньше). При ударе молнии из облаков в землю, особенно если облака находятся на относительно больших высотах над землёй, этот эффект может способствовать возникновению эффекта «задержки».
Но даже ветер и плотность, вместе взятые, не могут объяснить большую часть наблюдаемой задержки. Наибольшее влияние на скорость звука оказывает температура, где более высокая температура воздуха соответствует большей скорости звука в этой среде. Даже изменение температуры на 1°C на Земле изменяет скорость звука на 2,2 км/ч. Если вы когда-нибудь попадали в грозу, то, несомненно, ощущали дуновение ветра, меняющего температуру на более тёплую и более холодную, поскольку грозы обычно возникают при взаимодействии тёплого и холодного воздуха.
Даже небольшие колебания температуры всего на несколько градусов, накопившиеся на расстоянии в несколько километров, могут растянуть время прихода звуковых волн на несколько секунд. В сочетании с ветром и изменениями плотности эти три эффекта в совокупности могут объяснить, почему время прихода звука оказывается тем более растянутым, чем дальше вы находитесь от самого удара молнии.
Однако есть один аспект грозы, который этим не объясняется: почему иногда вы слышите громкий, резкий удар грома, а иногда его нет, а есть только низкие, продолжительные раскаты.
Необходимо помнить, что хотя то, что мы видим как «молнию», в общем случае представляет собой одномерную линию (иногда с ответвлениями), эта линия существует в нашем трёхмерном пространстве. Обмен данными может быть смоделирован как идеально вертикальный (облако — земля) или идеально горизонтальный (облако — облако), но часто у этой линии есть и глубина: где одна часть молнии находится ближе к вам, наблюдателю, а другая — дальше от вас.
При молниях типа «облако-земля» эта «глубина» довольно незначительна. У молнии «облако-земля» обычно вертикальное направление: она движется по воображаемой линии, соединяющей облако с центром Земли. Почему? Потому что это, по сути, путь наименьшего сопротивления для электрического тока: самый короткий путь к поверхности Земли.
В результате звуковые волны, возникающие в результате удара молнии из облака в землю:
-
не проходят через чрезвычайно влажные облака, поэтому их высокочастотные звуки не сильно гасятся;
-
доходят за очень короткий промежуток времени, так как расстояние от молнии до наблюдателя очень близко к одинаковому для всех точек молнии.
Именно поэтому при вертикальных ударах молний из облаков в землю звук, издаваемый ими, представляет собой резкий удар грома, за которым следует лишь кратковременный гул: он определяется разницей во времени между тем, как звук из нижней части молнии доходит до вас, и тем, как он доходит из верхней.
С другой стороны, молния от облака к облаку обычно представляет собой одномерную горизонтальную линию, которая не находится на одинаковом расстоянии от наблюдателя (и слушателя), а её ориентация по «глубине» случайна. Один конец молнии, как правило, находится ближе к наблюдателю, а другой — более удалён. Если вертикальные молнии «облако — земля» обычно имеют длину не более 3-5 км, то горизонтальные молнии «облако — облако» могут быть гораздо, гораздо длиннее. Так, в результате анализа грозы 2020 года была обнаружена рекордная горизонтальная молния невероятной длины — и это не опечатка — 719 км!
Звук молний «облако-облако» в основном бывает раскатистым, так как высокочастотный «треск» грозы в значительной степени заглушается влагой в самих облаках. Длительность звука всё равно будет увеличиваться в зависимости от расстояния до молнии, влияния ветра, разницы в плотности воздуха и изменения скорости звука в зависимости от температуры. Однако существует также разница в расстоянии между «ближним» и «дальним» концом облачной молнии, когда эти звуки долетают до наблюдателя.
Продолжительность грома, который вы слышите, определяется не только тем, насколько звук «вытянут» эффектами, связанными с его распространением в воздухе, но и длиной и геометрической ориентацией самой молнии относительно того места, где вы находитесь.
Конечно, существует верхний предел продолжительности грозовых раскатов, поскольку чем дальше от вас находится молния, тем меньше интенсивность звуковых волн, ударяющих в барабанную перепонку. В зависимости от состояния воздуха гром может быть слышен на расстоянии ~20 км, если условия благоприятны, или только на расстоянии ~8 км, если они неблагоприятны. Помните, что энергия звуковой волны падает как квадрат расстояния до источника, поэтому, находясь на расстоянии в два раза большем, вы получаете только четверть интенсивности звука; находясь на расстоянии в 10 раз большем, вы получаете только одну сотую от первоначальной интенсивности звука.
Если учесть, что звук растягивается на более длительный период времени и затухает тем сильнее, чем дальше от источника — из-за ветра, плотности, влажности и температурных эффектов, — то в совокупности это приводит к тому, что удары далёких молний становятся тише, раскатистее и звучат дольше по времени.
Если вы хотите выделить единственный наиболее важный фактор, влияющий на удлинение звука грома и зависящий от расстояния до молнии — то это будет температура воздуха. Но на самом деле все эти эффекты играют определённую роль, заставляя звуковые волны изгибаться, поглощаться и воздействовать на барабанную перепонку с разной интенсивностью и частотой. Запомните самое главное: чем ближе гром, тем более срочно нужно зайти в помещение. Ведь примерно 1 из каждых 15 000 человек в течение жизни попадает под удар молнии.
