6.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Первые записи изменений давления, вызванных громом, были опубликованы Шмидтом [42]. Недавние записи этих изменений приведены на рис. 6.1а и 6,1б. Чтобы должным образом обсудить измерения давления, необходимо прежде всего рассмотреть термины: «грохот», «удар» (треск), «раскат» и «рокот», обычно используемые для описания звуковых компонентов грома. К сожалению, эти термины используются непоследовательно и в литературе, и в повседневной речи. Часто слова «грохот» и «удар» (треск) используются как синонимы, так же как «раскат» и «рокот». Грохот или удар (треск) представляют собой внезапные громкие звуки на фоне продолжительного раската Или рокота. Отдельные удары обычно разделены интервалами времени продолжительностью 1 с или более. Удар иногда обозначает менее сильный и более короткий звук, чем грохот. Термин «раскат» иногда используется для описания нерегулярных изменений звука, в то время

как «рокот» используется для описания более слабых звуков большей продолжительности.

Рис. 6.1а. Часть изменения давления, вызванного громом [18].

Рис. 6.1б. Полная запись грома, вызванного облачной вспышкой. Время задержки от вспышки до регистрации первого звука около 14 с. Общая продолжительность грома регистрация микрофоном с полосой пропускания без искажений от 60 до 1250 Гц; с полосой пропускания от 0,08 до 450 Гц. Максимальное давление грома около атм.

В этом разделе, если не оговорено особо, мы будем использовать термин «удар» для описания всех внезапных сильных звуков, а термин «раскат» — для описания всех остальных звуков грома.

Для регистрации изменений давления, вызванных громом, Шмидт [42] использовал два различных прибора. Первый представлял собой коробку с отверстием на одной из сторон, в которое была помещена тонкая металлическая пластинка. Пластинка могла свободно перемещаться под действием давления звука. Движение пластинки

регистрировалось при помощи рычагов, прикрепленных к ней. Прибор мог записывать изменение давления в интервале примерно от 0,2 до 3 Гц и был проградуирован в этом интервале для регистрации абсолютных изменений давления. Резонансная частота системы была близка к 0,4 Гц, причем амплитуда колебаний пластины уменьшалась при увеличении разности частот между данной частотой и резонансной. Второй прибор состоял из рупора, на узком конце которого помещалось коптящее пламя скипидара, колебавшееся соответственно изменениям давления. Близ пламени при помощи мотора передвигалась полоска бумаги. Запись давления на бумаге была образована последовательностью закопченных и светлых мест. Используя этот прибор, Шмидт смог измерить изменения давления с частотами от 25 до свыше 100 Гц. Прибор не был проградуирован для абсолютных измерений. Следовательно, данные, полученные на «высокочастотном» приборе, нельзя было сравнивать с данными, полученными на «низкочастотном» приборе.

Шмидт записал низкочастотные изменения давления с периодом от 0,2 до 0,54 с и амплитудами до атм. Самые сильные из зарегистрированных изменений давления соответствовали разрежениям. Каждому сильному разрежению предшествовало кратковременное сжатие. Шмидт отметил, что, возможно, из-за низкой чувствительности его приборов к высоким частотам сжатие было столь же сильным, как и разрежение. Инфразвуковые колебания давления, измеренные Шмидтом, соответствовали по времени слышимым ударам грома. Шмидт утверждал, что инфразвуковые изменения давления были значительно сильнее, чем изменения давления, соответствующие наиболее громким слышимым звукам (по-видимому, выстрелам пушек и т. д., поскольку давление грома в области слышимости не было известно и не измерялось Шмидтом). Используя свой несовершенный высокочастотный прибор, Шмидт установил, что наиболее распространенными были частоты в интервале от 25 до 40 и от 75 до 120 Гц.

Возможно, что интерпретация Шмидтом полученных им низкочастотных данных была ошибочной. В частности, его прибор мог регистрировать модулирующую огибающую «несущих» звуковых частот, а не истинный

низкочастотный компонент, или прибор мог попадать в резонанс с последовательными пиками (ударами) огибающих модуляций. Аналогичные замечания относятся и к работе Арабаджи [1], рассматриваемой ниже.

Прошло почти 40 лет после работы Шмидта, когда были опубликованы результаты последующих измерений давления грома. Арабаджи [1] разработал аппаратуру, аналогичную низкочастотному прибору Шмидта, и получил результаты, подтверждающие данные Шмидта. Согласно Арабаджи, максимальная энергия грома соответствовала частотам от 0,25 до 2 Гц, причем наиболее часто встречающаяся величина составляла 0,5 Гц. (Измерения давления на звуковых частотах не проводились.) Арабаджи сообщил, что изменения давления на низкой частоте составляли около атм для разрядов, удаленных на Эта величина на два порядка больше приведенной Шмидтом. Некоторая разница могла возникнуть в результате того, что разряды, изучавшиеся Арабаджи, были относительно близкими. Согласно Шмидту, расстояние до исследовавшихся им разрядов составляло менее 5 км. По Арабаджи, наибольшими по величине (и, по-видимому, начальными) изменениями давления на низких частотах были сжатия.

В опубликованной позднее обзорной статье [2] Арабаджи сообщил, что были проведены измерения абсолютного давления с помощью микрофона на частотах до 10 кГц; гром содержит частоты от 0,25 до 500 Гц, а основная энергия грома передается на очень низких частотах. В работе [3] Арабаджи привел спектр грома в области звуковых частот с амплитудами, выраженными в произвольных единицах. Данные указаны для интервала от 64 до 2000 Гц. Максимальная амплитуда соответствует частоте 200 Гц.

В 1960 г. Ремилард [34] опубликовал диссертацию, посвященную теории грома; в 1964 г. были закончены еще две диссертации [8, 24], которые включали измерения грома.

Диссертация Ремиларда содержит множество фактических данных о громе и много ценных литературных ссылок. Однако теоретическое рассмотрение, сделанное Ремилардом, имеет небольшое значение, поскольку он в качестве исходной предпосылки принял, что звуковой канал испускает волны малой амплитуды. В настоящее время общепринято мнение, основанное на теории и эксперименте, что канал порождает сильную ударную волну. Ремилард проанализировал данные Де Лисла [16] об интервалах времени между вспышкой молнии и приходом грома и о продолжительности грома. Некоторые из этих данных приведены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Связь между продолжительностью грома и интервалом времени между молнией и громом (кружки) [16]. Сплошные кривые [34] соответствуют случаю, когда продолжительность грома определялась разницей в расстояниях от наблюдателя до концов вертикального канала молнии (длиной от 2 до 18 км) при разряде молнии на землю.

Ремилард заключил, что измеренная продолжительность грома вдвое превышала расчетную для каналов обычной высоты. Иными словами, согласно анализу Ремиларда, средняя продолжительность грома должна соответствовать высоте каналов над землей в 12 км, если продолжительность звука определять разницей между временами достижения звуком наблюдателя от основания канала и от его вершины.

Рис. 6.3. Общая продолжительность грома в зависимости от времени между молнией и громом облачные вспышки; О вспышки на землю; неидентифицированные вспышки.

Поэтому Ремилард предположил, что в облаке на высоте около 6 км существует слой снежной крупы, который отражает гром и увеличивает его продолжительность.

С другой стороны, Лесом [24] привел данные, показывающие, что продолжительность грома очень хорошо соответствует рбычным длинам канала, и, следовательно, нет необходимости предполагать существование отражающей поверхности в облаке. Данные Лесома приведены на рис. 6.3. Из противоречащих друг другу выводов Лесома

и Ремиларда предпочтение следует отдать результатам Лесома, если предположить, что Де Лисл регистрировал гром, вызванный не разрядами на землю, а внутриоблачными вертикальными разрядами, которые происходили над головой. В частности, запись грома, приведенная на рис. 6.16 вполне подобна типичным данным Де Лисла.

Рис. 6.4. Гистограмма продолжительности удара [24].

Лесом [24], используя емкостной микрофон, зарегистрировал изменения давления, вызванные громом. Он установил, что почти во всех случаях перед основным раскатом существует звук слабой интенсивности (лидер грома) продолжительностью от 0,1 до 2,2 с и что обычно гром состоит из трех или четырех дискретных импульсов, или ударов, причем колебания давления в пределах каждого удара имеют частоту Гц. Продолжительность ударов составляла от 0,2 до 1 с (рис. 6.4), а время между импульсами (время от начала одного удара до начала следующего) обычно было от 1,2 до 1,4 с (рис. 6.5). Как видно из рис. 6.6, амплитуды ударов грома изменяются незначительно с порядковым номером удара. Лесом установил,

что начало лидера грома, как и начало ударов, соответствует сжатию. Было установлено, что гром от облачных разрядов имеет те же самые основные характеристики,

Рис. 6.5. Гистограмма интервалов времени между началом последовательных ударов [24].

Рис. 6.6. Гистограмма относительных амплитуд ударов грома в зависимости от номера удара [24].

что и от разрядов на землю, хотя гром от последних обычно сильнее.

Бартенду [8] (см. также [9]) для регистрации давления грома использовал микрофон, работающий по принципу проволочного термоанемометра (для инфразвуковых частот), и пьезоэлектрический микрофон с рупором (для звуковых частот). В первом микрофоне регистрируется сопротивление нагретой проволоки, которое меняется под действием изменений давления воздуха и служит мерой колебаний давления. Реакция микрофона с нагретой проволокой на изменения инфразвукового давления (сжатия или разрежения) является однонаправленной. Таким образом, этот прибор в некотором смысле действует как двухполупериодный выпрямитель в электрической цепи. Бартенду сообщил, что максимум энергии грома находится в инфразвуковой области, но не привел данных по абсолютному измерению давления в области низких частот. Согласно измерениям, проведенным с помощью пьезоэлектрического микрофона, среднее изменение давления в области слышимых частот было

Рис. 6.7. Состав цнфразвуковых частот согласно

около атм, а максимальная величина составляла атм. Данные, полученные с помощью микрофона с нагретой проволокой, были проанализированы по частотному спектру в интервале от 1 до 20 Гц. Типичный спектр приведен на рис. 6.7. Было установлено, что в интервале от 1 до 20 Гц интенсивность звука обычно уменьшается с ростом частоты. Главные максимумы приходятся на интервал частот от 0,75 до 6 Гц. Не ясно, каким образом при частотном анализе производилось устранение искажений, возникших в результате нелинейности микрофона с нагретой проволокой. Исследование спектра, записанного с помощью пьезоэлектрического микрофона, показало, что имеет место нерегулярное изменение спектральной плотности в 2—3 раза в интервале частот от 20 до 100 Гц.

Бартенду определил грохот как более продолжительный и более мощный звук, чем удар. Он считает, что удары часто являются составной частью рокота на последней стадии грома. Используя систему трех микрофонов, Бартенду смог определить направление и высоту различных составляющих грома. Он нашел, что первый звук обычно исходит из основания канала, что грохот исходит непосредственно из канала разряда и что последовательное грохотание является результатом действия различных (часто более высоких) частей канала. Бартенду отметил, что удары поступают с направлений, отличных от направлений прихода грохота; таким образом, удары могут быть результатом отражений или действия более высоких и более удаленных частей разряда. По данным Бартенду, исходный импульс от большей части значительных изменении давления является сжимающим, обычный гром можно услышать на расстоянии не более 25 км и, как правило, продолжительность грома составляет от 5 до 20 с.

В 1967 г. Фью и др. [18] сообщили о результатах двух независимых исследований спектра грома, проведенных в Техасе и Нью-Мексико. Система микрофонов, использованная в Техасе, имела равномерную частотную характеристику в интервале от 0,1 до 400 Гц; система в Нью-Мексико - в интервале от 0,2 Гц до 20 кГц. Измерения свидетельствуют, что избыточное давление обычно составляет атм. Об измерениях энергетического спектра сообщений нет. Анализ данных, полученных в Техасе,

проводился исходя из числа пересечений кривой давления нулевого уровня. Полученные таким образом преобладающие частоты находились в интервале от 180 до 260 Гц. В Нью-Мексико данные, записанные на магнитную ленту, исследовались на анализаторе акустических спектров; выведенный таким образом спектр усредненной акустической мощности показан на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Акустический спектр грома, записанный на магнитной ленте, от 12 разрядов на землю и 11 внутриоблачных разрядов. Приведенные данные представляют усреднение по 23 отдельным спектрам [18].

Полученные акустические спектры всегда имели широкие пики в области 100 Гц; в то же время никаких пиков в инфразвуковой области не наблюдалось. Ни в одном случае не отмечалось, что инфразвуковые частоты несут сколь-либо существенную энергию. Этот результат находится в противоречии с данными Шмидта [42], Арабаджи [1, 2] и Бартенду [8]. Фью и др. [18] разработали теорию, объясняющую наблюдаемый широкий максимум близ частоты 200 Гц. Эта теория будет изложена в разд. 6.3.1.

Ньюман и др. [30] провели измерения давления на расстоянии 0,3 м от нескольких разрядов молнии. Результаты этих измерений приведены в конце разд. 6.3.1,