В РАН рассказали о волнах, пришедших в Москву от взрыва вулкана Тонга
Почему звуковая волна от взрыва вулкана Тонга шесть раз фиксировалась в Московском регионе, как специалисты по акустике фиксируют подобные и другие взрывы, и правда ли, что американцы нашли в атмосфере ранее не известный звуковой канал, "Газете.Ru" рассказал Сергей Куличков, доктор физико-математических наук, руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, который занимался изучением этого взрыва и его следов. Он также объяснил, почему зафиксированное "эхо" нельзя назвать звуком и в каких случаях взрыв можно услышать за многие тысячи километров.
– Действительно ли волны от вулкана архипелага Тонга дошли до Москвы, причем неоднократно?
– Они дошли не только до Москвы, они весь земной шар несколько раз обогнули. Взрыв был очень мощный. Вы же знаете, что 30 октября 1961 года на Новой Земле провели испытания самой мощной термоядерной бомбы в 58 мегатонн? От нее пошел, условно говоря, "звук", и он обогнул два раза земной шар. И это не единственный случай. Например, когда Челябинский метеорит взорвался, зафиксировали один оборот вокруг земного шара.
– Почему о звуке можно говорить лишь условно?
– Звук – это продольные волновые колебания, когда частички среды внутри волны колеблются вдоль ее распространения. Звук распространяется со скоростью звука, она зависит от плотности среды, температуры и ветра. Но при мощных взрывах генерируется не только звук, но и множество других волн в атмосфере.
Например, внутренние гравитационные волны (не следует путать с астрофизическими гравитационными волнами, – "Газета.Ru"). Их возникновение обусловлено взаимодействием выталкивающей силы Архимеда и силы тяжести. Колебания частиц в них проходят уже не вдоль направления распространения, а под углом. Частота внутренних гравитационных волн такова, что их период больше пяти минут. Распространяются эти волны со скоростями существенно меньшими, чем скорость звука.
– Барометрические станции в Москве зафиксировали именно гравитационные волны?
– Нет. При мощных взрывах генерируется еще так называемая промежуточная волна. Она в науке называется "фундаментальной модой колебаний" или, в просторечии, волной Лэмба (хотя в строгом смысле волны Лэмба распространяются в твердых пластинах или сферах). Для нее характерно исключительно распространение вдоль земной поверхности, с нулевой вертикальной скоростью. Распространяется она со скоростью звука, но с куда большими периодами колебаний, больше предельных для звука пяти минут.
Именно такая волна Лэмба и наблюдалась на станциях по всему миру, зафиксировавших взрыв вулкана. Гравитационные волны, которые также возникли при взрыве, до Москвы, скорее всего, не дошли.
– На одном из спутниковых снимков, опубликованных NASA, видна идущая по атмосфере рябь над вулканом. Чем она вызвана?
– Это как раз внутренние гравитационные волны, их характерный облик. В качестве аналогии представьте, что вы кинули камушек в воду, и от него пошли круги. Круги – это и есть внутренние волны, которые существуют в воде. В атмосфере происходит примерно то же самое, и, если существуют облака, волны создадут в них характерную рябь.
– Если внутренние гравитационные волны можно представить как круги на воде, то на что похожи волны Лэмба?
– Для них нельзя подобрать бытовую аналогию. Они возникают при решении уравнения гидродинамики и при мощных взрывах в атмосфере, подручными средствами их подобие создать нельзя.
– Сколько раз волна Лэмба от вулкана обогнула Землю?
– В Московском регионе точно зафиксировано 6 приходов волны Лэмба. Первый приход соответствует прямому распространению волны от источника до пункта наблюдений. Второй – так называемому антиподальному распространению, то есть волна распространяется в противоположном направлении и приходит с другого конца Земли. Третий приход соответствует одному обороту вокруг Земного Шара прямой волны. Четвертый приход - одному обороту антиподальной, аналогично с пятой и шестой фиксацией. Это известно точно. Может, и больше, но это гораздо труднее зафиксировать, так как по мере распространения у нее падает амплитуда. А естественные шумы на низких частотах весьма значительные.
- Каким образом ее удалось зафиксировать? Она выглядит как "провал" на графике барографа?
– Одиночный провал виден лишь при использовании обычного метеорологического барографа. Его чувствительность не позволяет увидеть множественные колебания. Если бы вы взяли серьезный научный прибор, то увидели бы колебания, как и при обычной регистрации звуковых сигналов от удаленных взрывов. Бытовой барометр зафиксировал лишь "смазанную" картину, усредненный максимум.
Например, качественный сигнал дали микробарометры в Дубне – это станция IS43 международной системы инфразвукового мониторинга IMS режима выполнения Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний.
– Как часто образуются волны Лэмба?
– При каждом крупном взрыве, который сотрясает всю атмосферу. Трудно назвать нижнюю границу необходимой мощности, никто ее не изучал. Могу предположить, что требуется несколько мегатонн. При этом взрыв должен произойти на подходящей высоте, чтобы мощность не ушла в Землю и не улетучилась в космос.
– Насколько точно с помощью волн Лэмба или гравитационных волн можно определить мощность взрыва или извержения вулкана?
– С точки зрения геофизики – весьма точно. Стоит отметить, что так измеряется не полная мощностью взрыва, а лишь та энергия, которая пошла в воздух. Не в землю и не в воду. Иными словами, указывается мощность эквивалентного взрыва, который бы взорвался в атмосфере и произвел такие же колебания. Эквивалентная мощность взрыва этого вулкана достигала примерно 200 мегатонн. Это в несколько раз больше, чем самый крупный ядерный взрыв.
– Зафиксировать их без приборов невозможно?
– Услышать такую волну нельзя. Человек слышит, условно говоря, до 20 герц, а у подобных волн частота в тысячные доли герца.
– Регистрация взрыва вулкана на архипелаге Тонга – не единственный за последнее время случай фиксации звука или других волн на аномальном расстоянии. Недавно в журнале Science вышла заметка о том, как американцы с помощью микрофона на аэростате услышали взлет ракеты за 400 километров и заявили, что открыли новый атмосферный канал, по которому звук распространяется на сотни километров. Это действительно открытие?
– Описанное там никакого отношения не имеет к волне Лэмба, ни, тем более, к внутренним гравитационным волнам. Там идея простая: под водой существует акустический океанский волновод. Он существует за счет того, что на разных глубинах из-за различий в плотности и солености скорость звука отличается. На определенной глубине образуется зона с минимальной скоростью звука, и она служит горизонтальным волноводом, который позволяет услышать взрыв даже килограмма тротила внутри него на дистанции в тысячи километров, но только в случае, если источник и приемник расположены на глубине этого минимума. Представьте, что у нас от взрыва внутри волновода пошел вверх акустический луч под небольшим углом. Поскольку скорость звука вверху выше, луч будет загибаться книзу из-за рефракции, и в конце концов повернет ко дну. А поскольку ниже минимума скорость звука также растет, то луч повернет обратно в направлении уровня, на котором располагался источник, и так множество раз.
Исследователи из Америки пишут, что долгое время верили в существование такого волновода в атмосфере, и наконец нашли его… Хотя общеизвестно, что в атмосфере существует множество областей минимумов скорости звука. То есть волноводов, подобных океаническому волноводу, в атмосфере множество.
Заметим, что такие волноводы эффективно работают только в случае, если источник и приемник звука находятся на оси волновода – горизонте минимума скорости звука.
В атмосфере существует не менее трех типов глобальных волноводов, работающих при расположении источника и приемника звука на земной поверхности.
В волноводе первого типа нижней границей является земная поверхность, а верхней – горизонт максимума скорости звука, который находится на верхней границе инверсии (увеличения) температуры, обычно на высоте до одного километра. Но, поскольку, в атмосферной акустике оперируют понятием эффективной скорости звука (скорость звука плюс скорость ветра в направлении распространения), верхняя граница приземного волновода существенно зависит от скорости ветра.
Волновод второго типа также имеет нижнюю границу на земной поверхности, а верхнюю на горизонте максимума эффективной скорости звука. Обычно это высоты 20-50 километров.
Волновод третьего типа имеет верхнюю границу в термосфере на высотах более 100 км.
Такие волноводы известны с конца позапрошлого века, когда проводились эксперименты с регистрацией звука от вулканов. И именно в этих экспериментах была открыта стратосфера – область увеличения температуры с высотой на высотах более 10 км.
– Возможны ли феномены, при которых бы люди слышали звук на огромных расстояниях? Например, небольшой тротиловый взрыв за тысячу километров?
– Я могу вам рассказать о личном опыте. В 1981 году в Казахстане в ходе эксперимента по исследованию магнитосферно-атмосферных связей при сейсмических явлениях я находился на расстоянии 200 километров от взрыва мощностью 260 тонн в тротиловом эквиваленте и прекрасно его слышал своими ушами. Безусловно, это было связано с атмосферным волноводом. Звук отразился от верхней части атмосферы на высоте около 100 километров и вернулся назад к Земле.
– Напоследок: есть какое-то практическое влияние волн Лэмба или гравитационных волн на нашу жизнь?
– На жизнь оказывают влияние колебания атмосферного давления. Эти волны сопровождаются колебаниями атмосферного давления. У нас была публикация, где мы как раз исследовали то, о чем вы спрашиваете. По нашим данным, есть некая связь между колебаниями давления и частотой поступления сердечно-сосудистых больных в стационары.