Звук в атмосфере распространяется не по прямой линии, а по изогнутым траекториям, если среда неоднородна. Основной причиной отклонения звуковых лучей от прямолинейного пути являются градиенты температуры и скорости ветра. Эти градиенты создают условия, при которых скорость звука варьируется с высотой, вызывая рефракцию — искривление звуковых траекторий.
Градиент температуры оказывает прямое влияние на скорость звука:
$$ c = \sqrt{\gamma \cdot R \cdot T} $$
где c — скорость звука, γ — показатель адиабаты, R — универсальная газовая постоянная, T — температура воздуха в кельвинах. При понижении температуры с высотой (обычное состояние в тропосфере) скорость звука также уменьшается, что приводит к изгибу звуковых лучей вверх.
Если температура растёт с высотой (инверсия температуры), скорость звука также возрастает, вызывая изгиб звука вниз и создавая условия для так называемой звуковой «ловушки». Это особенно важно в ночное время или при наличии мощных антициклонов.
Ветер изменяет эффективную скорость распространения звука. Если звук распространяется в направлении ветра, его скорость увеличивается, если против — уменьшается. Это приводит к асимметричной рефракции звуковых лучей.
Для горизонтального ветра u(z), зависящего от высоты z, эффективная скорость звука определяется как:
cэфф(z) = c(z) + u(z)cos θ
где θ — угол между направлением распространения звука и направлением ветра. Если ветровой профиль положительный (скорость ветра увеличивается с высотой), то звуковые лучи, направленные по ветру, изгибаются вниз, а против ветра — вверх. Это явление объясняет улучшенную слышимость звуков по ветру и ухудшенную — против.
Комбинация температурного и ветрового градиента может создавать звуковой канал в атмосфере — область, где звуковые лучи удерживаются, многократно отражаясь и распространяясь на большие расстояния с минимальным затуханием. Такой канал часто наблюдается в ночное время или в условиях температурной инверсии с постоянным ветром.
Пограничный слой атмосферы, простирающийся от поверхности земли до высот порядка 1–2 км, наиболее подвержен влиянию температурных и ветровых градиентов. В нём акустические явления максимально выражены и динамичны. В течение дня солнце прогревает нижние слои атмосферы, вызывая неустойчивость, турбулентность и сильное вертикальное перемешивание. В таких условиях звуковые лучи могут рассеиваться и не доходить до удалённого наблюдателя.
Ночью или при наличии снежного покрова/моря поверхность земли остывает быстрее, создавая условия температурной инверсии — устойчивого слоя, где звук огибает землю. Это ведёт к значительным дальнодействующим эффектам, включая распространение шума от транспорта, производственных установок или взрывов на расстояния, в десятки раз превышающие дневные.
Для численного описания распространения звука с учётом температуры и ветра используют уравнения геометрической акустики. Пусть r(z) — радиус кривизны звукового луча, тогда:
$$ \frac{1}{r(z)} = \frac{1}{c_{\text{эфф}}(z)} \cdot \frac{d c_{\text{эфф}}(z)}{dz} $$
Положительное значение производной (увеличение cэфф с высотой) ведёт к изгибу луча вниз, отрицательное — вверх. Это соотношение позволяет вычислять траектории звука и области тени.
Для сложных профилей атмосферы, например, с несколькими инверсионными слоями и переменными ветрами, используются численные методы (метод конечных разностей, метод трассировки лучей), а также модели типа Parabolic Equation (PE), позволяющие учитывать рассеяние, дифракцию и поглощение.
Особый интерес представляет поведение инфразвуковых волн, распространяющихся на большие расстояния в атмосфере. При этом важную роль играют высотные атмосферные каналы, формируемые между тропосферой, стратосферой и мезосферой. Эти каналы обладают малыми потерями энергии, и инфразвук, излучённый, например, при вулканическом извержении или ядерном взрыве, может быть зарегистрирован на расстоянии в тысячи километров.
Градиенты температуры и ветра в этих слоях определяют направление каналов, их ширину, а также наличие фокусных зон, в которых энергия может временно усиливаться. Сезонная и суточная изменчивость атмосферы приводит к сильным колебаниям амплитуды и направленности инфразвука.
Если звуковой луч из-за рефракции изгибается вверх и не достигает земли, возникает зона акустической тени. В этих областях уровень звука резко падает, и в зависимости от геометрии и условий может наблюдаться почти полное затухание сигнала. Такие эффекты критичны при проектировании звукоизолирующих сооружений и систем оповещения.
При наличии сильного ветра в верхних слоях может наблюдаться акустическая блокировка — ситуация, при которой звуковая волна не может прорваться сквозь градиент скорости, и вся энергия отражается обратно или уходит вверх.
Атмосферная турбулентность вызывает флуктуации плотности и, как следствие, локальные вариации скорости звука. Это приводит к:
Эти явления особенно выражены при высокочастотных звуковых волнах и в условиях сильной нестабильности атмосферы. Для учёта таких эффектов в моделях вводятся стохастические параметры или применяются методы Монте-Карло для трассировки лучей в турбулентной среде.
Вся совокупность рассмотренных факторов приводит к значительной изменчивости звукового поля в атмосфере. Для точных акустических измерений, особенно на дальних расстояниях, необходимо:
Влияние ветра и температурных градиентов является одним из определяющих факторов в атмосферной акустике, определяя как эффективность, так и предсказуемость распространения звуковых волн.