Раскаты грома | Блог о природе

Раскаты грома

0

Молния

Раскаты грома

Все мы слышали раскаты грома, когда кажется, что небесное божество, повелевающее громами, раскатывает на своей ужасно громыхающей колеснице по всему небу. Как же образуется этот удивительный рокот грома, прокатывающийся по небосводу? Сейчас хорошо известно, и ни у кого в этом нет сомнения, что гром порождается молнией, грозовым электрическим разрядом, практически мгновенно разогревающим тонкий, но очень длинный воздушный молниевый канал. Взрывообразное расширение мгновенно разогретого воздушного шнура и порождает звуковую волну. Но почему звук грома такой продолжительный и как бы перекатывающийся? Многие даже физики, и даже учебники объясняют эти раскаты отражениями звука грома от чего угодно — от гор, от домов, от облаков. Но так ли это? Скажем, плотность вещества в облаках практически не отличается от плотности атмосферы в их окрестностях. Но любые волны эффективно отражаются только от резкой границы существенно различающихся сред. А размеры облачных капелек или снежинок таковы, что на них могут рассеиваться только волны с ничтожной длиной, то есть, только ультразвук, да и то очень слабо. Так что ни о каком отражении звука грома от облаков говорить не приходится.

Полагаю, что привязанность нашей мысли к отражениям звука при попытке объяснения громовых раскатов обусловлена стереотипами нашего восприятия. Действительно, мы привыкли иметь дело, можно сказать, с «точечными» объектами, звук от всех точек которых приходит к нам практически одновременно. Но звук грома порождается хоть и тонким, но очень длинным зигзагообразным молниевым каналом. Так что после мгновенной вспышки молнии звук от ближайшего участка молниевого канала, находящегося в 1.3 км от нас придёт к нам через 4 секунды (скорость звука в воздухе порядка 330 м/сек), тогда как от дальних концов молнии, расположенных в 5 км слева и 7 км справа от нас звук придёт к нам только через 15 и 21 секунду. И мы будем слышать звуки грома от разных участков одного и того же протяжённого одномоментного молниевого канала на протяжении целых 17 секунд! (21-4=17). Причём в каждый последующий момент времени к нам будет поступать звук от всё более удалённых участков молниевого канала. Видимое направление на эти всё более удалённые участки будет меняться. Причём даже от совершенно не ветвящегося молниевого зигзага в каждый момент времени звук к наблюдателю будет поступать, как минимум, из двух удаляющихся точек, скажем слева и справа.

Кстати, звук от сверхзвукового самолёта также раздваивается. После громкого хлопка, звукового удара от самолёта, летящего со сверхзвуковой скоростью, мы начинаем слышать звук от двух источников, движущихся в противоположных направлениях: более низкий звук от самолёта, удаляющегося от места, с которого к наблюдателю пришёл хлопок, и более высокий звук, приходящий от участков траектории, пройденной самолётом намного раньше, когда он ещё не долетел до точки, из которой к наблюдателю пришёл хлопок. Этот более высокий звук с ранее пройденной траектории отстал от самолёта, и приходит к наблюдателю со всё более ранних участков траектории уже после пролёта сверхзвукового самолёта. Причём интенсивность высокого звука будет падать гораздо быстрее, чем интенсивность низкого, поскольку в одни и те же моменты времени высокий звук приходит с гораздо больших расстояний, чем низкий. В пределе, при минимальном превышении скорости звука, звук со всей предыдущей траектории придёт к наблюдателю практически в одно мгновение.

Вернёмся к раскатам грома. С течением времени будет меняться и угол между лучом зрения и отрезком канала, от которого звук поступает в данный момент, и длина этого отрезка. Понятно, что если отрезок канала достаточно длинный и он расположен под прямым углом к лучу зрения, то звук от него максимальный. Если же прямолинейный отрезок канала совпадает с направлением на наблюдателя, то интенсивность звука минимальна, мы, вообще, можем не слышать грома в это момент. Но уже в следующий момент к наблюдателю приходит звук от очередного молниевого зигзага, почти перпендикулярного направлению на наблюдателя, и относительно тихий звук сменяется громким хлопком. Вот так и образуется рокот грома, громовые раскаты — грохот, меняющийся по интенсивности и по слышимому положению источника.

Понятно также, что при прочих равных условиях, интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния между между наблюдателем звука и положением мгновенного точечного источника, от которого в данный момент звук приходит к наблюдателю, можно сказать, находящемуся на поверхности сферы. Общая интенсивность звука при распространении без затухания, просуммированная по всей поверхности сферы, остаётся постоянной, независимо от радиуса сферы. О звуке от линейного источника в первом приближении можно сказать, что он приходит с оси на поверхность цилиндра. Поэтому его интенсивность обратно пропорциональна расстоянию и углу, пропорциональному размеру отрезка, под которым видится регистратору этот звучащий отрезок. Угол также обратно пропорционален расстоянию, так что в итоге интенсивность звука обратно пропорциональна квадрату расстояния, а амплитуда обратно пропорциональна первой степени расстояния. Этим и обусловлено постепенное затихание раскатов грома, приходящих со всё больших расстояний. После такого описания становится понятным и изменение интенсивности, и изменение направления на текущий источник звука грома в течение достаточно продолжительного времени.

Изобразим теперь изложенное выше в виде рисунка.

Раскаты

Рис 1. Молния в прямоугольных и полярных координатах.

Зависимость интенсивности звука от направления и времени.


Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: