6.3.2. Звуковая волна

Как было показано в предыдущем разделе, цилиндрическая ударная волна, испускаемая возвратным ударом, ослабевает до звуковой волны на расстоянии нескольких метров от канала. Очевидно, именно эта звуковая волна, порождаемая всем каналом и видоизмененная средой, через которую она проходит, становится громом. Когда гром слышится с расстояния порядка 100 м от канала разряда, то он состоит из одного громкого удара, хотя часто сообщают, что перед ударом имеют место свистящие и щелкающие звуки малой интенсивности. Когда гром слышится с расстояния километра от канала разряда, то он обычно состоит из грохочущего шума, прерываемого рядом резких ударов. Ниже мы прежде всего рассмотрим, почему гром можно слышать только на относительно небольших расстояниях, а затем перейдем к объяснению наблюдаемых изменений давления грома, особенно происхождения преобладающей частоты грома и ударов грома.

Обычно гром нельзя услышать на расстояниях больше 25 км от канала. Отдельные сообщения о слышимости грома на больших расстояниях сделали Виенема [47— 49], Брукс [13], Кейв [14], Пейдж [32] и Тальярд [45].

С другой стороны, Оулт [6], капитан исследовательского судна «Карнеги», сообщил, что гроза на озере перестает быть слышимой на расстоянии примерно 8 км.

Флигль [19] предположил, что гром не слышен далее 25 км в результате изгибания кверху звуковых лучей, вызываемого наличием градиента температуры и сдвига ветра. Поскольку скорость распространения звука пропорциональна корню квадратному из температуры, а температура обычно падает с высотой, то, согласно закону Снеллиуса, звуковые волны будут изгибаться вверх. Флигль показал, что при линейном градиенте температуры с высотой звуковые лучи, исходящие из канала и в некоторой точке становящиеся перпендикулярными к поверхности земли, описывают траектории, близкие к параболической. Для типичной скорости падения температуры звук, который зарождается на высоте 4 км, имеет максимальный интервал слышимости 25 км, если пренебречь сдвигом ветра. Иными словами, звуковые волны, распространяющиеся с высоты 4 км, становятся перпендикулярными к земной поверхности на расстоянии 25 км от канала разряда. Все звуки, возникшие на высоте ниже 4 км, не будут слышны на расстоянии 25 км; напротив, звуки, возникшие выше 4 км, будут слышны. Флигль показал, что сдвиг ветра, т. е. изменение скорости ветра с высотой, может вызвать преломление грома, которое по порядку величины близко к преломлению, вызываемому градиентом температуры. Звуковые лучи могут преломляться вверх или вниз в зависимости от соотношения направлений распространения ветра и звука. Сдвиг скорости ветра 4 м/с на 1 км может привести к траектории звукового луча, почти эквивалентной траектории, которая возникает при градиенте температуры

Флигль предупреждает, что кроме падения температуры с высотой и сдвига ветра на слышимость грома могут влиять и другие факторы. Например, область температурной инверсии будет увеличивать интервал слышимости; особенности местности, которые мешают горизонтальному распространению критических звуковых лучей на последних нескольких километрах их пути, будут уменьшать интервал слышимости грома.

Следует полагать, что основание канала молнии является мощным источником звука, поскольку именно оно выглядит наиболее ярким на фотографиях канала. Вероятно, сильный удар грома, слышимый на расстоянии 100 м или менее от разряда молнии, порождается сильной звуковой волной от основания канала, когда же наблюдатель находится в километре от канала, то начальный громкий удар преломляется на некоторой высоте, и разряд сопровождается рокотом.

Рассмотрим теперь частоты колебаний грома. Мы видели в разд. 6.2, что существует определенная разница между результатами различных исследователей относительно преобладающей частоты (или частот), присутствующей в громе. Согласно Шмидту [42], Арабаджи [1, 2] и Бартенду [8], наибольшая энергия грома приходится на инфразвуковую область частот Гц, в то время как Лесом [24] и Фью и др. [18] получили, что преобладающая частота находится в районе 100 Гц. Шмидт не проводил измерений абсолютного давления грома в области слышимости, а пришел к своему выводу на основе измерений изменений давления в инфразвуковой области и сравнений их с изменениями давления от обычных источников громких звуков. Поскольку Фью и др. [18] и Бартенду [8] измерили более сильные изменения давления в звуковой области, чем Шмидт в инфразвукой, выводы Шмидта, по-видимому, неверны. Более того, как отмечалось в разд. 6.2, имеются определенные сомнения в правильности интерпретации Шмидтом своих данных. Арабаджи [2] сообщил, что он провел измерения абсолютного давления как в инфразвуковой, так и в звуковой областях и что преобладающие частоты лежали в инфразвукой области. Он не сообщил подробностей, подтверждающих это утверждение. Бартенду [8] привел данные относительно абсолютного давления грома в звуковой области, но не привел данных для инфразвуковой. Справедливость его утверждения, что преобладающая энергия грома приходится на инфразвуковую область, требует подтверждения. Доказательства, что изменения давления, вызванные громом, приходятся главным образом на частоты вблизи 100 Гц, получены на основании данных Лесома [24], на основании двух независимых

исследований, проведенных Фью и др. [18], и на основании теории, описанной в разд. 6.3.1. Следовательно, вполне вероятно, что преобладающая частота грома действительно находится близ 100 Гц.

Как отметили Фью и др., для того чтобы ударная волна, испускаемая каналом, создавала преобладающую частоту в 1 Гц, радиус, при которомударная волна должна выродиться в звуковую волну, должен составлять 130 м. В этом случае начальная энергия должна составлять что на три порядка больше, чем получено из других оценок (разд. 7.3.3).

В акустическом спектре, приведенном на рис. 6.8, заметно резкое уменьшение акустической мощности с увеличением частоты выше нескольких сотен герц. Частично, если не целиком, это уменьшение объясняется тем, что затухание звуковых волн в воздухе возрастает с повышением частоты. Например, звуковая волна с частотой 2000 Гц затухает до первоначальной амплитуды при прохождении в воздухе при стандартных температуре и давлении и относительной влажности от 50 до 100% [20]. Сигнал с частотой 300 Гц претерпевает аналогичное затухание при прохождении в воздухе 4 км [20]. Таким образом, следует ожидать, что измеренный акустический спектр грома содержит больше высоких частот, чем на рис. 6.8, если измерения проводятся близко к каналу разряда.

Рассмотрим теперь форму грома. Согласно Лесому [24], гром, который мы слышим на расстоянии 1 км или больше от канала разряда, начинается со звука слабой интенсивности (лидер грома) продолжительностью от 0,1 до 2,2 с. Начальная часть лидера грома создает сжатие. Основной гром состоит из трех или четырех отдельных ударов, слагающихся в рокочущий звук. Происхождение лидера грома неизвестно, однако о происхождении ударов можно сделать разумные предположения. Вероятно, удары связаны со звуком, испускаемым отрезками главного канала и его ветвями, которые приблизительно перпендикулярны к прямой, соединяющей наблюдателя с отрезками канала. Как независимо показали Брук и Мак-Крори [12] и Юман и др. [46], звук, принимаемый от отрезка канала, сильно зависит от ориентации этой части

канала относительно наблюдателя. Когда часть канала или ветви перпендикулярна к линии зрения, звук от всех точек части канала достигает наблюдателя с минимальным разделением по времени, порождая удар. Естественно считать, что ветви первого разряда должны быть мощными источниками звука, поскольку, согласно Ма-лану и Колленсу [28], ветви могут быть ярче, чем канал над этими ветвями. Более того, интересно отметить, что наблюдается примерно то же число ударов в громе [24], что и ветвей в первом возвратном разряде [43], так что присутствие ветвей может объяснить значительную часть ударов грома.

Брук и Мак-Крори [12] и Юман и др. [46] показали, что длинный линейный участок канала создает однородный звук во всех своих частях со значительно меньшим уровнем интенсивности звука вдали от канала, чем приблизительно прямой участок канала такой же длины, но имеющий мелкую извилистость. Относительно низкая интенсивность звука в прямом участке канала является результатом интерференционных эффектов. Если пренебречь краевыми эффектами, то наблюдатель одновременно фиксирует сжатие и разрежение воздуха от близких частш участка канала; суммирование сжатий и разрежений будет приводить к ослаблению сигнала. Если же канал извилист, то такой интерференции не будет.

Когда гром слышен с очень близкого расстояния, часто сообщают, что перед основным ударом грома слышатся шипящие и щелкающие звуки. Происхождение этих звуков неизвестно. Возможно, что шипящий звук вызван коронным разрядом на земле в сильном электрическом поле, наведенном лидером, а щелкающие звуки связаны с движущимся вверх разрядом [23] (см. подробнее разд. 7.6).

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)

(см. скан)