Звуковой туннель в атмосфере

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Возможно, многие из вас бывали в комнате с акустическим секретом: стоишь в одном углу и четко слышишь разговор людей в другом, дальнем углу, даже если они говорят тихо. Такие необычные комнаты есть во многих старинных дворцах и постройках, например — в Невьянской башне, фамильной башне знаменитых Демидовых, которую построили на Урале 300 лет назад.

В физике даже есть термин — «эффект шепчущей галереи». Это когда в помещении шепот распространяется только вдоль стен и не слышен в остальной части помещения. Обычно у таких помещений круглая или эллиптическая форма.

В круглом помещении шепот стоящего у стены человека будет слышен вдоль стен, но не в центре комнаты. Часто, чтобы усилить этот акустический эффект, в стены встраивали амфоры. Тогда звук еще и резонировал, усиливался.

А в помещениях эллиптической формы звук распространяется несколько иначе. Если встать в один из фокусов эллипса, а их, напомню, два, и что-то сказать шепотом, то вас услышит только тот, кто стоит во втором фокусе, даже если это большое помещение.

Эффект шепчущей галереи можно наблюдать во многих исторических зданиях — в храме Гроба Господня в Иерусалиме, в Тадж-Махале в Индии, в храме Неба в Китае, в соборе Святого Петра в Ватикане, в Санта-Мария-дель-Фьоре во Флоренции, в Арке влюбленных в Казани, в Минском главпочтамте, на станции метро «Маяковская», в лекционном зале в полукруглом корпусе Одесской национальной академии связи имени Попова и др.

Впервые эффект шепчущей галереи исследовал британский физик Уильям Рэлей, лауреат нобелевской премии по физике 1904 года. Объектом его исследования была Галерея вздохов под куполом собора Святого Павла в Лондоне. Выяснилось, что эффект шепчущей галереи в круглых помещениях связан с распространением вдоль стены акустической волны, испытывающей многократное полное внутреннее отражение.

Оказывается, такие звуковые туннели существуют и в природе. Примерно в одном километре под водой находится туннель, который переносит звуки на огромные расстояния. Он расположен между слоями воды разной плотности, более теплой и более холодной. Звук, попав в этот слой, оказывается как бы в ловушке. Он отражается от границ слоев и несется вперед. Его используют киты для своих разговоров.

Киты умеют общаться с помощью инфразвука, у которого низкая частота и большая длина волны. Мы этот звук не слышим, а киты его воспринимают. И правильно — нечего подслушивать чужие разговоры.

Общение китов с помощью инфразвука вполне объяснимо: именно инфразвук прекрасно распространяется в плотной морской воде, не рассеивается и уходит на большие расстояния. С помощью инфразвуков стада китов могут общаться за сотни километров. А биологи с помощью инфразвуковых датчиков могут определить, где находятся киты, даже если это очень далеко.

Вообще, инфразвук в природе — не редкость. Он возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре во время бурь и ураганов. И кстати, нарастание инфразвукового фона дает сигнал морским и прибрежным животным, что приближается шторм и надо бы залечь на дно.

Звуковые туннели в океане открыл геофизик Морис Юинг в разгар Второй мировой войны, в 1944 году. Тогда ходила гипотеза, что низкочастотный звук может путешествовать на большие расстояния в толще воды. Американские физики решили проверить. С одного исследовательского судна спустили гидрофон, с другого — два килограмма взрывчатки на расчетную глубину. Подорвали, и звук прекрасно долетел до гидрофона на расстоянии 900 миль, от одного корабля к другому.

И тут возник логичный вопрос — если есть звуковой туннель в океане, то почему бы ему не быть в атмосфере? Например — в тропопаузе на высоте 10–20 километров. Она как раз находится между двумя слоями — тропосферой, низкой атмосферой, где формируется погода, и высокой, очень холодной стратосферой.

Здесь интерес был не столько фундаментальный, сколько практический. Юинг считал, что акустический волновод в атмосфере позволил бы ВВС США прослушивать испытания ядерного оружия Советским Союзом.

По его инициативе воздушные шары, оснащенные инфразвуковыми микрофонами, отправились в небо. Это был сверхсекретный эксперимент середины XX века. Но приборы часто выходили из строя, конструкция ломалась при сильном ветре, и вскоре военные закрыли проект. Хотя миссия не была рассекречена в течение почти 50 лет.

Сейчас физики вернулись к этой идее. Вернулись, потому что появились воздушные шары нового поколения на солнечных батареях, которые могут пассивно плавать на стабильных высотах и непрерывно передавать данные на большие расстояния с помощью беспроводных технологий.

И вот 14 апреля прошлого года состоялся первый эксперимент. Момент выбрали удачный — тестовый суборбитальный запуск ракеты New Shepard с испытательной пусковой площадки Blue Origin в Ван-Хорне (штат Техас). В тот же день на расстоянии 400 километров физики запустили воздушный шар с соответствующей аппаратурой. Воздушный шар плавал в пределах предполагаемого звукового канала и фиксировал звуковые события. Он уловил три четких сигнала от ракеты — один при запуске и еще два при подъеме и спуске через тропопаузу.

Так, год назад впервые удалось зафиксировать инфразвук удаленного источника в воздухе с помощью бортового приемника. Похоже — открытие состоялось. Об этих результатах исследователи сообщили совсем недавно, год спустя, на ежегодном собрании Американского сейсмологического общества.

Исследователи продолжили запускать шары с аппаратурой и слушать звуки от далеких запусков ракет и природных катаклизмов. Они говорят, что наконец-то обнаружили намеки на воздушный звуковой туннель. Хотя он, похоже, не так прост и надежен, как океанский. Он более подвижный и изменчивый, среда уж больно легкая.

Но любой эксперимент в науке не только отвечает на вопрос, но и порождает новые. Так и здесь. Геофизики с удивлением обнаружили, что есть инфразвуковые события неизвестной природы, которые происходят несколько раз в час. И пока никто не может объяснить, что бы это могло быть. Еще одна тайна.