Звук представляет собой механические упругие колебания, распространяющиеся в газовой среде в виде продольных волн сжатия и разрежения. Основным параметром, характеризующим звук, является скорость его распространения, которая зависит от температуры, давления и состава воздуха. В первом приближении скорость звука в сухом воздухе при нормальных условиях описывается выражением:
$$ c = \sqrt{\gamma \frac{R T}{M}} $$
где γ – показатель адиабаты (для воздуха ≈ 1,4), R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, M – молярная масса воздуха.
Таким образом, температура атмосферы является определяющим фактором: с её ростом скорость звука увеличивается, а с понижением – уменьшается. Давление воздуха в нормальном диапазоне существенно не влияет на скорость звука, поскольку оно пропорционально плотности, и эти эффекты компенсируют друг друга.
Атмосфера не является изотермической: температура изменяется с высотой, образуя стратификацию. В тропосфере она обычно уменьшается с высотой со средним градиентом около 6,5 °C на километр. Это приводит к изменению скорости звука с высотой и, как следствие, к рефракции звуковых волн.
Помимо температуры, большое значение имеет ветер. Горизонтальный перенос воздуха создает ветровой градиент. Если скорость ветра увеличивается с высотой, то звуковые лучи, распространяющиеся по направлению ветра, изгибаются вниз и концентрируются, а против ветра – изгибаются вверх и ослабляются.
Комбинация температурного и ветрового градиентов приводит к сложной картине распространения звука. Именно поэтому, например, звук от городского шума или промышленного источника ночью в тихую погоду с инверсией и слабым ветром может слышаться на десятки километров.
Звуковые волны теряют энергию при распространении в атмосфере не только из-за геометрического расхождения, но и вследствие поглощения в воздухе. Основные механизмы:
Поглощение зависит от частоты: высокочастотные звуки (например, свист, писк) затухают гораздо быстрее, чем низкочастотные (гул, удары). Поэтому на больших расстояниях лучше распространяются низкие звуки.
Звуковые волны подвержены дифракции, то есть огибанию препятствий и преград. Благодаря этому звук можно слышать за зданиями, холмами или лесом.
Отражение звука от поверхности земли, воды или зданий приводит к формированию сложной интерференционной картины. При наличии атмосферных слоёв с разными температурами или влажностью возможны многократные отражения и волноводы, которые удерживают звук в определённых слоях атмосферы.
Рассеяние звука на турбулентных неоднородностях атмосферы приводит к его дополнительному ослаблению и изменению спектра. Этот эффект особенно заметен при распространении звука на больших расстояниях.
Особое внимание заслуживает явление атмосферных звуковых каналов, при которых условия стратификации температуры и ветра создают своеобразный волновод. В таких случаях звук может распространяться на сотни километров, практически не теряя интенсивности.
Примером служат случаи, когда гром от взрыва или выстрела слышен за десятки километров. В истории зафиксированы наблюдения, когда взрывы на больших расстояниях воспринимались людьми благодаря именно таким каналам.
Инфразвуковые волны (частоты ниже 20 Гц) имеют особые свойства. Они практически не поглощаются атмосферой и могут распространяться на тысячи километров. Источниками инфразвука являются:
Благодаря этим свойствам инфразвук используется в системе международного контроля за испытаниями ядерного оружия, а также в исследованиях глобальных атмосферных процессов.
Поверхность земли оказывает существенное влияние на распространение звука. Тип почвы, растительность, наличие снежного или водного покрова определяют коэффициенты отражения и поглощения.
Закономерности распространения звука в атмосфере имеют важное значение в самых разных областях:
Кроме того, изучение этих процессов позволяет лучше понять атмосферные явления, включая динамику ветра, стратификацию и турбулентность.