Как да чуем старта на ракета на разстояние стотици километри

Вълноводите позволяват предаването на звук (или светлина) на огромно разстояние, сякаш по тесен коридор.

Един такъв вълновод открили американски изследователи, след като успели да чуят инфразвука от изстрелването на ракета на разстояние стотици километри. Но каква полза има на практика от това откритие?

Микрофонът на аеростат е успял да регистрира звука от изстрелването на ракета на разстояние 400 км, съобщава списание Science.

През 1940-е години геофизикът Морис Юинг открил в световния океан подводен звуков канал, благодарение на който звукът може да се разпространява на свръхдалечни разстояния. Моряците го използват, за да следят подводниците, а китове разговарят със съплеменниците си на хиляди километри разстояние.

Той се образува за сметка на това, че в океана скоростта на звука на първо място зависи от два фактора – температурата и налягането. Температурата се понижава на дълбочина заедно със скоростта на звука, но под определено равнище става постоянна величина (низходящата линия на графиката придобива вид на плато) и остава стабилна.

Под това плато налягането продължава да расте и да повишава скоростта на звука. Така възниква зона на минимума на скоростта на звука, над и под която скоростта се повишава. Затова, ако от вътрешността на тази зона импулс изпрати нагоре под някакъв ъгъл акустичен лъч, той ще се огъва надолу поради рефракцията и в края на краищата ще тръгне към дъното.

Тъй като под равнището на минимума скоростта на звука също расте, то лъчът по същата причина ще тръгне обратно нагоре, и така циклично много пъти. Така се образува океански вълновод.

По-нататъшната си работа Юинг посвещава на търсенето на аналогичен канал в зоната на тропопаузата, границата между атмосферата и стратосферата, разположена на височина около 17 километра.

По време на Студената война американските военни се надявали чрез този канал да подслушват съветските ядрени изпитания. Затова бил стартиран проектът Mogul, в рамките на който в небето били вдигани аеростати с инфразвукови микрофони. Един от тях през 1947 година паднал и се разбил недалеч от Розуел в щата Ню Мексико и породил една от най-известните теории на заговора за НЛО. Скоро проектът бил закрит поради незадоволителни резултати.

В наше време Сара Албърт, геофизик от Националните лаборатории „Сандия” в Ню Мексико, решил пак да изпробва аеростати за фиксиране на ултразвук, вече снабдени със слънчеви панели и система за безжично предаване на данните.

Учените били мотивирани от факта, че компютърните модели стабилно показват образуване на звукови канали на височини от 10 до 40 км.

Албърт издигнал един от аеростатите на 14 април 2021 година, и инициативата се увенчала с успех: екипът успял да чуе звука на ракетата New Shepard на компанията Blue Origin.

Ракетата била изстреляна на разстояние приблизително 400 км от аеростата, и на записа учените видели три ясни сигнала: при изстрелването, при издигането през тропопаузата и при спускането през нея.

По думите на Албърт това е първото наблюдение на толкова отдалечен източник на инфразвук с помощта на приемник на борда на летателен апарат.

За учудване на учените на записа имало и други звуци. „Инфразвукови явления с неизвестен произход се случват няколко пъти на час и за тях няма обяснение” – казва един от участниците в изследването.

„Вярвам, че атмосферният аналог на подводния звуков канал съществува“ – казва Албърт и допълва: „Но не сме сигурни, че съществува постоянно и може да изпраща звука толкова далече, колкото мислехме.”

Включително и поради това, че атмосферата е много по-нестабилна от океана, влияят ѝ температурните разлики, промяната на силата и посоката на вятъра. И действително: когато екипът учени се опитал да повтори успеха си през септември 2021 г. и да чуе изстрелване в космоса от авиобазата „Ванденберг”, нищо не излязло. Може би поради факта, че аеростатът бил на разстояние 1300 км от ракетата.

По-нататък изследователите планират да прослушват изстрелвания в космоса с помощта на няколко аеростата, разположени шахматно на различни височини, за да разберат къде ефектът е най-силен.

Освен това ги интересува природата на необичайните инфразвукови шумове. Засега авторите предполагат, че ги издават падащите от космоса болиди или северното сияние.

Американските изследователи пишат, че дълго време са вярвали в съществуването на такъв вълновод в атмосферата и накрая са го намерили… Макар да е общоизвестно, че в природата съществуват множество области на минимуми на скоростта на звука.

Тоест, в атмосферата има множество вълноводи, подобни на океанския вълновод. Ще отбележим, че тези вълноводи активно се проявяват само в случаите, когато източникът и приемникът на звука се намират на оста на вълновода – на хоризонта на минимума на скоростта на звука.

В атмосферата съществуват три различни типа вълноводи и описаният от американските учени не е най-полезният от тях. Например, с помощта на вълновод от друг тип, чиято горна граница се намира на височина 100 км, в края на ХХ век е бил регистриран звукът на отдалечени вулкани и е било открито съществуването на стратосферата.