Инфразвук в атмосфере

Основные характеристики инфразвука

Инфразвук представляет собой акустические колебания с частотами ниже порога слышимости человеческого уха — то есть ниже 20 Гц. Несмотря на то, что человек не воспринимает эти волны на слух, инфразвук активно распространяется в атмосфере на значительные расстояния. Это обусловлено его малым затуханием и слабым рассеянием, особенно при наличии благоприятных метеорологических условий и температурной стратификации воздуха.

Инфразвук обладает следующими физическими особенностями:

• Длина волны — от десятков до тысяч метров (λ = c / f, где c — скорость звука в атмосфере, f — частота).
• Низкий уровень поглощения — обусловлен тем, что основные механизмы поглощения звука в атмосфере (вязкость, теплопроводность, молекулярные резонансы) становятся менее эффективными при малых частотах.
• Малая энергия на единицу объема — из-за большой длины волны, однако суммарная энергия может быть значительной за счёт большой амплитуды и протяжённости фронта волны.

Природные и антропогенные источники инфразвука

Инфразвуковые волны в атмосфере могут формироваться как в результате естественных процессов, так и вследствие деятельности человека.

Природные источники:

• Извержения вулканов — генерация мощных инфразвуковых импульсов, фиксируемых на расстояниях более тысячи километров.
• Метеоры — при входе в атмосферу сопровождаются образованием ударной волны в инфразвуковом диапазоне.
• Океанские штормы и прибой — создают непрерывные инфразвуковые волны в диапазоне 0.1–0.5 Гц.
• Грозовые разряды — порождают как акустические волны слышимого диапазона, так и инфразвук.
• Землетрясения и оползни — передают часть механической энергии в атмосферу.

Антропогенные источники:

• Запуски ракет и космических аппаратов — сопровождаются выбросами мощных инфразвуковых волн.
• Взрывы — как промышленные, так и ядерные; фиксируются глобальными инфразвуковыми сетями.
• Авиация и сверхзвуковые полёты — образование ударной волны с инфразвуковым спектральным компонентом.

Распространение инфразвука в атмосфере

Инфразвук в атмосфере подвержен ряду физических процессов, определяющих его распространение:

• Рефракция — отклонение траектории волны из-за градиента температуры и ветра. Особенно сильно проявляется в стратосфере и мезосфере, где температура и ветер имеют выраженные вертикальные профили.
• Гидродинамическое направляющее действие — при определённой температурной стратификации инфразвук может направляться вдоль атмосферных каналов, аналогично волноводам.
• Дисперсия — слабовыраженная для инфразвука в свободной атмосфере, но может проявляться вблизи источника или вблизи поверхности.
• Поглощение и рассеяние — минимальны в инфразвуковом диапазоне. Основное поглощение связано с релаксационными процессами в атмосфере, в частности, с релаксацией водяного пара и углекислого газа.

При распространении инфразвука на большие расстояния важную роль играют:

• высотные ветра (например, струйные течения),
• временные изменения температуры и плотности воздуха,
• наличие инверсий,
• волны атмосферного давления.

Инфразвук может отражаться от границ между слоями с разной температурой и плотностью, а также от поверхности Земли. Таким образом, в ряде случаев возникают многократные отражения и интерференционные картины, ведущие к модуляции амплитуды сигнала.

Методы регистрации и анализа инфразвука

Для регистрации инфразвуковых волн применяются специализированные инфразвуковые микрофоны (микробарометры), обладающие высокой чувствительностью к медленным колебаниям давления. Они устанавливаются в рамках инфразвуковых станций, как одиночных, так и сетевых.

К основным методам обработки инфразвуковых сигналов относятся:

• Корреляционно-временной анализ — позволяет выделять сигналы на фоне шума.
• Частотный спектральный анализ — используется для определения характеристик источника.
• Интерферометрия — при наличии сетей микрофонов позволяет восстановить направление на источник.
• Инверсные методы — используются для восстановления параметров источника по зарегистрированному сигналу.

Применения инфразвука в атмосфере

Инфразвук используется в широком спектре научных и прикладных задач:

• Мониторинг природных катастроф — вулканы, землетрясения, цунами.
• Контроль за соблюдением международных договоров — в частности, верификация запрета ядерных испытаний (система CTBTO включает сеть инфразвуковых станций).
• Атмосферные исследования — инфразвук используется как диагностический инструмент для определения параметров атмосферы (ветер, температура, стратификация).
• Исследования глобальной акустической прозрачности атмосферы — инфразвук используется как пробный сигнал для изучения свойств верхних слоёв атмосферы.

Влияние инфразвука на человека и техносферу

Несмотря на то, что инфразвук не воспринимается слухом, он может оказывать физиологическое воздействие:

• Резонансные явления в теле человека (особенно в грудной клетке, полостях и ушах) при частотах ниже 10 Гц.
• Возможные ощущения дискомфорта, тревожности, раздражения при длительном воздействии.
• Влияние на функционирование чувствительной электроники и вибрационных датчиков.

Однако большинство таких эффектов проявляется при высоких амплитудах инфразвука, обычно нехарактерных для естественных условий.

Физико-математическое описание инфразвуковых волн

Инфразвук в атмосфере подчиняется уравнениям линейной акустики при условии малых возмущений давления p′, плотности ρ′ и скорости v⃗:

$$ \frac{\partial p'}{\partial t} + \rho_0 c^2 \nabla \cdot \vec{v} = 0 $$

$$ \frac{\partial \vec{v}}{\partial t} + \frac{1}{\rho_0} \nabla p' = 0 $$

Где:

• ρ₀ — ненарушенная плотность воздуха,
• c — скорость звука в данной точке.

Систему уравнений можно привести к волновому уравнению для давления:

$$ \frac{\partial^2 p'}{\partial t^2} - c^2 \nabla^2 p' = 0 $$

В условиях стратифицированной атмосферы скорость звука и плотность воздуха являются функциями высоты: c = c(z), ρ = ρ(z). Это приводит к модификации волнового уравнения с учётом рефракции и возможного наличия направляющих слоёв.

Дополнительно, при анализе глобального распространения инфразвука используется геометрическая акустика и метод трассировки лучей, аналогичный оптическим методам в среде с переменными показателями преломления. Эти методы позволяют определить траекторию распространения, углы выхода и временные задержки инфразвуковых волн от удалённых источников.

Спектральные особенности инфразвука

Инфразвуковые волны характеризуются широким диапазоном частот — от 0.001 Гц до 20 Гц. Типичные спектры включают:

• Моночастотные сигналы — например, от турбин, двигателей, взрывов.
• Широкополосные сигналы — от метеоров, вулканов, гроз.
• Псевдопериодические колебания — связанные с пульсациями атмосферных вихрей или взаимодействиями волн.

Для каждого источника формируется характерная инфразвуковая подпись, по которой возможно его идентифицировать и классифицировать.

Роль атмосферных условий в модуляции инфразвука

Атмосферные слои, особенно стратосфера и мезосфера, играют ключевую роль в формировании «профиля слышимости» инфразвуковых волн. Сезонные и суточные изменения температуры, ветра, турбулентности могут создавать условия как для усиления, так и для ослабления сигналов. Наблюдаются явления, когда сигналы от одного и того же источника доходят до приёмника с многократной интерференцией, изменением фазы, временными задержками.

Особую роль играет солнечная активность, вызывающая изменения в верхней атмосфере (термосфере), что влияет на распространение инфразвука через ионосферные и мезосферные каналы.

Инфразвук как инструмент дистанционного зондирования атмосферы

Использование инфразвука в качестве зондирующего сигнала позволяет:

• Определять вертикальные профили температуры и ветра.
• Регистрировать атмосферные волны (в том числе гравитационные и планетарные).
• Мониторить стратификационные изменения в верхней атмосфере.

Методы инфразвуковой томографии находятся в стадии активного развития и дополняют другие дистанционные методы (лидарные, радиозондовые, радиолокационные).