Įvadas
Garso greitis nėra pastovus dydis Visatoje. Jis kinta priklausomai nuo aplinkos, kurioje sklinda. Šiame straipsnyje išnagrinėsime, kaip temperatūra veikia garso greitį ir kokios pasekmės kyla dėl šio reiškinio. Remiantis Alberto Einšteino reliatyvumo teorija, šviesos greitis vakuume bus vienodas, kad ir kur jis būtų matuojamas Visatoje. Su garsu viskas kitaip, jis juda skirtingose aplinkose skirtingu greičiu - greičiau juda esant didesniam tankiui.
Garso greitis skirtingose aplinkose
Garso greitis priklauso nuo terpės tankio: kuo didesnis tankis, tuo didesnis garso greitis. Tyrimai parodė, kad garso greitis mažėja didėjant atominei masei, o tai reiškia, kad garsas didžiausią greitį pasieks kietajame vandenilyje. Toks vandenilis randamas tik esant itin aukštam slėgiui, panašiam į dujų milžinų, tokių kaip Jupiteris, slėgį.
Žemės atmosfera yra daug storesnė nei Marso, maždaug 100 kartų storesnė. Be to, Marsas yra viena iš dviejų planetų, kurioje žmonės iš tikrųjų galėjo išmatuoti garso greitį. 2022 m. eksperimento metu NASA marsaeigis „Perseverance“ paleido lazerio spindulį į uolą ir laukė, kol jo mikrofonai užfiksuotų smūgio bangą. Marsaeigio atlikti eksperimentai parodė, kad garso greitis Jezero krateryje yra vidutiniškai 240 metrų per sekundę.
Temperatūros įtaka garso greičiui
Temperatūra yra vienas svarbiausių veiksnių, turinčių įtakos garso greičiui. Paprastai, kylant temperatūrai, garso greitis didėja, o krentant - mažėja. Todėl keičiantis dienai Marse garso greitis dėl temperatūros kritimo pasikeičia apie 10 %.
Garso greitis Marse
Marso atmosfera yra daug labiau išretėjusi nei Žemės - apie 0,020 kg / m3, palyginti su maždaug 1,2 kg / m3 Žemėje. Tačiau yra keletas keistenybių, kurios buvo pastebėtos Raudonojoje planetoje. „Pasirodo, kad Marse aukštesni nei 240 Hz dažniai sklinda daugiau nei 10 m/s greičiau nei žemi dažniai.
Taip pat skaitykite: Silpnaregių iššūkiai
Garso greitis vandenyje
Garso greitis dujose, skysčiuose ir kietuose kūnuose smarkiai skiriasi. Ore garso bangos sklinda 331 m/s, o vandenyje - 1490 m/s. Tačiau garso greitis priklauso nuo garso dažnio ir terpės, kuriame sklinda, būvio. O tai reiškia, kad mažėjant vandens tankiui, kas vyksta kylant jo temperatūrai, garsas persiduoda prasčiau. Tačiau iki tam tikros vandens temperatūros, bet ji tuomet bus pernelyg aukšta, kad apie tai kalbėčiau. Kita vertus, vandens temperatūros įtaka akustinių bangų sklidimui yra labai ženkli. Pasak fizikų, jūros vandenyje (jūrų druskingumas nėra vienodas, tad neaišku, kokioje jūroje), vandens temperatūrai sumažėjus 1 °C, garso greitis padidėja 3,58 m/s. Taip pat slėgis įtakoja garso sklidimo greitį, dideliame gylyje jis bus didesnis. Paskaičiuota, kad jūroje (beje, sūrus vanduo yra geresnis garso laidininkas nei gėlas) akustinių bangų greitis kas 30 m gylio padidėja 0,6 m/s.
Šiluminė inercija
Šiluminė inercija - tai medžiagos gebėjimas priešintis temperatūros pokyčiams. Paprastais žodžiais paaiškinti, kas yra šiluminė inercija galima taip: jūsų namo sienų reakcija į aplinkos temperatūros pokyčius, perduodant tuos pokyčius namo vidui. Dažnai apie šiluminę inercija pagalvojama per vėlai - kai namas jau pastatytas ir vėlu ką nors keisti. Kaip tai vyksta? Bet kurio namo sienos reaguoja į temperatūros pokyčius aplinkoje. Tik, priklausomai iš kokių blokų jos sumūrytos, vienos į lauko temperatūros pokyčius reaguoja greičiau, kitos - lėčiau. Jeigu sienos reaguoja greičiau, tai lauke esant karščiui, namas prikaista, o esant šalčiui - atšąla. Sienos, kurios dėl pasirinktų blokų į lauko temperatūros pokyčius reaguoja lėčiau: iš lėto kaupia šilumą ir iš lėto ją atiduoda. Dėl to pastato viduje yra labiau pastovi temperatūra ir geresnis komfortas gyventojams. Blokai, kurie į minėtus pokyčius reaguoja lėčiau turi aiškų privalumą.
Saulės sandara ir temperatūra
Saulė - tai didžiulis degančių dujų kamuolys, teikiantis mums šviesą ir šilumą. Centrinė Saulės dalis, vadinama branduoliu arba šerdimi (angl. core), užima apie ketvirtį žvaigždės spindulio, taigi apie pusantro procento žvaigždės tūrio. Bet į tą pusantro procento telpa apie pusę žvaigždės masės. Savaime suprantama, ir tankis ten daug didesnis, nei vidutiniškai žvaigždėje - siekia 150 tonų kubiniam metrui, apie dešimt kartų daugiau, nei švino ar aukso tankis normaliomis sąlygomis. Tokio milžiniško tankio ir temperatūros pakanka, kad laisvai lakstantys vandenilio branduoliai - protonai - kartais susijungia tarpusavyje, formuoja deuterio branduolius (protono ir neutrono kombinacijas; vienas protonas pavirsta neutronu, išspinduliavęs pozitroną), kurie, savo ruožtu, prisijungia dar vieną protoną ir tampa helio-3 branduoliais, o du helio-3 branduoliai gali susijungti į helio-4 branduolį ir du palaidus protonus. Tai yra tik viena iš termobranduolinių reakcijų, vykstančių žvaigždžių šerdyse, atmainų, vadinama pp grandine; apie ją ir kitas variacijas esu rašęs seniau. Taip pat Saulėje vyksta ir truputį sudėtingesnė reakcijų grupė, vadinama CNO ciklu, kurio metu vandenilio branduoliai jungiasi į helį, dalyvaujant tarpininkams angliai (C), azotui (N) ir deguoniui (O).
Saulėje vykstančias termobranduolines reakcijas bandoma įdarbinti ir Žemėje. Tiesa, Žemėje neįmanoma sukurti tokios stiprios gravitacijos, kaip Saulės centre, ir suspausti plazmos iki tokio aukšto tankio, taigi reaktorių veikimo detalės šiek tiek skiriasi, nors principas iš esmės toks pat: lengvesnius elementus jungti į sunkesnius ir panaudoti proceso metu išsiskiriančią energiją. Vienas skirtumas - magnetinis laukas: žemiškuose reaktoriuose būtent jį bandoma išnaudoti medžiagos suspaudimui, taigi pasiekiamas lauko stiprumas šimtus tūkstančių kartų viršija Žemės, o kartu ir Saulės, magnetinio lauko stiprį. Antra dedamoji - temperatūra: reaktoriuose ji pakeliama iki 10 kartų didesnės vertės, nei Saulės branduolyje. Galiausiai reaktoriuose planuojama naudoti kitokį kurą - ne protonus, o deuterio ir tričio (vieną protoną ir du neutronus turinčių branduolių) mišinį. Šie branduoliai tarpusavyje jungiasi lengviau, nei protonai. Kaip bebūtų, kol kas termobranduolinės sintezės reaktoriai yra tik eksperimentiniai ir jau ne vieną dešimtmetį sakoma, kad iki jų praktinio pritaikymo likę apie 30 metų. Panašiai šnekama ir dabar - apie 2050-uosius galime išvysti pirmąsias komercines termobranduolines jėgaines. Prancūzijoje statomas ITER - bandomasis termobranduolinis reaktorius.
Branduolyje pagaminta energija nori veržtis į išorę. Tą ji padaryti gali dviem būdais - spinduliuote arba konvekcija (apie energijos perdavimo būdus kadaise rašiau čia). Konvekcija yra karštos medžiagos kilimas aukštyn, nes jos tankis mažesnis, nei šaltesnės medžiagos aplink. Spinduliuotė, šiuo atveju, yra daugkartinis fotonų sugėrimas ir perspinduliavimas, nes medžiaga net ir palikus branduolį yra pernelyg tanki, kad šviesa galėtų sklisti nevaržoma. Kuris procesas dominuoja, priklauso nuo aplinkos sąlygų. Saulėje arčiau branduolio efektyviau energiją perduoda spinduliuotė, tad susiformuoja spindulinė zona. Kaip minėjau, spindulinėje zonoje fotonai nesklinda tiesiai, o yra daugybę kartų sugeriami ir perspinduliuojami. Vidutiniškai fotono kelionė nuo branduolio iki spindulinės zonos išorės užtrunka apie 170 tūkstančių metų. Spindulinėje zonoje fotonai juda toli gražu ne tiesiai tolyn nuo centro, o laksto įvairiomis kryptimis, nors kiek dažniau - į išorę. Plisdama spindulinėje zonoje, energija pasiskirsto vis didesniame plote, todėl temperatūra mažėja. Spindulinės zonos vidiniame pakraštyje ji siekia 8-9 milijonus laipsnių, išorinėje - 2-3 milijonus. Nors tai vis dar milžiniškas karštis, jis jau leidžia nutikti tam tikriems medžiagos sąveikos su spinduliuote pokyčiams. Pagrindinis pokytis yra toks, kad Saulę sudaranti medžiaga, nors ir retėja, tampa vis mažiau pralaidi spinduliuotei. Aukštesnės energijos dalelės su fotonais sąveikauja silpniau, nei žemesnės, taigi artėjant prie Saulės išorės, fotonams skverbtis tolyn tampa vis sunkiau. Galiausiai sąlygos pasikeičia tiek, kad konvekcija tampa efektyvesniu energijos perdavimo būdu. Prasideda išorinis Saulės sluoksnis - konvekcinė zona. Ji apima išorinius 30% Saulės spindulio, tai yra maždaug 65% tūrio, tačiau vos 5% visos žvaigždės masės.
Taip pat skaitykite: Garso suvokimas: jutimas ir prasmė
Riba tarp spindulinės ir konvekcinės zonos vadinama tachoklina. Tam tikru atžvilgiu ji primena vandenynuose egzistuojančią ribą - termokliną - skiriančią pastebimai šiltesnį viršutinį vandens sluoksnį nuo šaltų gelmių. Ties tachoklina pokyčiai kitokie - temperatūra, kaip minėjau, krenta einant į išorę, pasikeičia ir temperatūros gradientas (kitimo sparta judant aukštyn). Taip pat, manoma, pakinta ir žvaigždės sukimosi pobūdis. Spindulinė zona sukasi kaip vienas kietas kūnas - vieną ratą apsuka per 27 paras. Tuo tarpu konvekcinė zona sukasi diferencialiai: Saulės pusiaujas per 25 paras, o ties ašigaliais apsisukimas užtrunka apie 30 parų. Manoma, kad būtent šiame regione, kur skirtingi Saulės sluoksniai gana greitai juda vieni kitų atžvilgiu, formuojasi žvaigždės magnetinis laukas.
Konvekcinėje zonoje medžiagos judėjimas tiek horizontalia, tiek vertikalia kryptimis vyksta panašiais greičiais - keleto kilometrų per sekundę. Tai reiškia, jog medžiaga - o kartu ir energija - nuo tachoklinos iki Saulės paviršiaus pakyla per keletą savaičių. Kylantys medžiagos burbulai yra karštesni, nei aplinkinė medžiaga, kuri po truputį leidžiasi žemyn. Taigi Saulės paviršiuje matome karštesnius - šviesesnius - regionus, atskirtus tamsesnių ruožų. Šie regionai vadinami granulėmis. Visi regionai iki pat Saulės paviršiaus - iki kurio tuojau prieisime - nėra mums tiesiogiai matomi. Tad iš kur žinome visa tai, ką rašiau iki šiol? Atsakymas yra keleriopas, bet pagrindinis patikimų duomenų šaltinis - helioseismologija. Tai yra Saulės virpesių tyrimai. Panašiai kaip seismologija leidžia tyrinėti Žemės gelmių savybes pagal drebėjimų bangų sklidimą, taip ir Saulės virpesiai duoda informacijos apie nematomus sluoksnius. Branduolyje, spindulinėje ir konvekcinėje zonoje bangos sklinda skirtingu greičiu bei atsispindi nuo jų ribų. Be to, bangos būna įvairios. Pagrindinis skirstymas yra į tris tipus: slėgio (p), gravitacijos (g) ir paviršinės gravitacijos (f) bangas. Pirmosios sklinda visoje Saulėje, todėl leidžia nagrinėti ir jos gelmes. Gravitacijos (nepainioti su gravitacinėmis) bangos yra analogiškos skysčio svyravimams žarnoje su dviem pakeltais galais. Paviršinės gravitacijos bangos primena bangas giliame vandenyje. Detali šių bangų analizė, apjungta su įvairiais struktūros modeliais, leidžia nustatyti, iš ko susideda mūsų Saulė ir kas joje vyksta.
Saulės paviršiumi laikomas atstumas nuo Saulės centro, kuriame išspinduliuoti fotonai turi 50% tikimybę išskristi iš žvaigždės, o ne būti vėl sugerti. Regionas iškart virš šio paviršiaus vadinamas fotosfera - Saulėje jis yra apie 100 kilometrų storio, temperatūra svyruoja tarp 4500 ir 6000 kelvinų. Jei Saulę sumažintume iki Žemės dydžio, fotosferos storis sumažėtų iki mažiau nei kilometro - gerokai daugiau, nei dirvos storis (įprastai iki kelių metrų), bet gerokai mažiau, nei 5-100 kilometrų storio pluta. Fotosfera taip pat yra granuliuota - granulės, susidarančios konvekcinėje zonoje, pakyla aukščiau, nei šios zonos riba, dėl inercijos. Taip pat fotosferoje atsiranda pagrindiniai magnetinio lauko efektai - Saulės dėmės, kuriose stiprus magnetinis laukas atšaldo dujas. Magnetinio lauko kilpos, kildamos virš Saulės, pakelia dalį medžiagos aukštyn - taip kyla protuberantai.
Virš fotosferos prasideda chromosfera - kelių tūkstančių kilometrų storio ypatingai retos plazmos regionas. Jo temperatūra, kylant nuo fotosferos, iš pradžių krinta iki 3800 kelvinų, o paskui ima kilti iki kelių dešimčių tūkstančių laipsnių. Fotosfera nuo chromosferos labiausiai skiriasi spektro pobūdžiu. Fotosfera spinduliuoja visa ir skleidžia šiluminį spektrą - platų, nuo radijo iki rentgeno spindulių (nors beveik visa spinduliuotė išskiriama infraraudonųjų, regimųjų ir šiek tiek ultravioletinių spindulių ruože). Joje matomos sugerties linijos - įvairių cheminių elementų, tokių kaip vandenilis ar natris, elektronų šuolius atitinkančių bangos ilgių spinduliuotė sunkiai praeina pro fotosferą, todėl ties tais bangos ilgiais spinduliuotės intensyvumas daug mažesnis. Chromosfera, priešingai, yra visiškai permatoma, o jos šiluminė spinduliuotė tokia silpna, kad realiai nesimato. Bet matomos emisijos linijos - ypač vandenilio-alfa linija, kuri susidaro, kai sužadinto vandenilio atomo elektronas šoka iš trečio žemiausio energijos lygmens į antrą.
Kildami dar aukščiau virš Saulės, pasiekiame vainiką, taip pat matomą per užtemimus. Trilijoną kartų retesnis už fotosferą, tačiau šimtus kartų karštesnis, vainikas skleidžia įvairią spinduliuotę, nuo radijo bangų iki spektro linijų, kylančių stipriai jonizuotuose sunkiuose cheminiuose elementuose, pavyzdžiui geležyje. Nustatyti vainiko dydį nėra lengva, nes iš pažiūros jis gana tolygiai pereina į tolesnį „sluoksnį“ - Saulės vėją; tačiau panašu, kad riba yra maždaug 12,5-17 Saulės spindulių atstumu nuo fotosferos. Skirtingi atstumai randami skirtingomis kryptimis - ties ašigaliais vainikas mažesnis, nei arčiau pusiaujo.
Taip pat skaitykite: Garso suvokimo ir matavimo principai
Vainike kyla Saulės žybsniai ir vainikinės masės išmetimai. Ir vieni, ir kiti nutinka, kai magnetinio lauko kilpos, iškilusios iš fotosferos (o greičiausiai prasidėjusios dar tachoklinoje), susisuka ir persijungia. Persijungimu vadinamas staigus magnetinio lauko konfigūracijos pokytis, kai stipriai susisukusios ar išsikreipusios linijos pasikeičia taip, kad bendras iškreipimas sumažėja. Kartu sumažėja ir magnetinio lauko energija. Bet suminė energija negali pasikeisti, taigi pranykusi magnetinė energija pavirsta kinetine (dujų judėjimo), šilumine (dujų temperatūros) arba spinduline. Pastaroji ir matoma kaip Saulės žybsnis. Dažnai persijungus linijoms susiformuoja magnetinio lauko žiedas, neprijungtas prie Saulės.
Magnetinio lauko energijos pavirtimas šilumine gali paaiškinti aukštą vainiko temperatūrą. Dar praeito amžiaus viduryje nustatyta, kad ji gerokai aukštesnė, nei fotosferos - siekia apie milijoną kelvinų. Įprasti energijos perdavimo procesai - laidumas, konvekcija ir spinduliuotė - negali įkaitinti medžiagos iki aukštesnės temperatūros, nei ta, iki kurios įkaitęs energiją generuojantis objektas. Saulės atveju tai reiškia, kad nei vienas iš šių procesų negali įkaitinti vainiko medžiagos iki aukštesnės temperatūros, nei fotosfera. Ilgą laiką atrodė, kad ir žybsniai negali to paaiškinti - visų žinomų Saulės žybsnių metu išskiriamos energijos nepakaktų įkaitinti vainiką. Be to, žybsniai yra lokalūs reiškiniai - jie vyksta ten, kur yra daug Saulės dėmių. Energijos apykaita nepadalina energijos po visą vainiką pakankamai sparčiai, kad visur išlaikytų vienodą temperatūrą. Taigi turi būti koks nors kitas energijos šaltinis, kaitinantis vainiką. Per pastaruosius keletą metų į šį klausimą rastas atsakymas - Saulės laužai. Jie yra tarsi maži žybsnių analogai: magnetinio lauko persijungimo reiškiniai, vykstantis kelių šimtų kilometrų mastelyje horizontalia kryptimi, tačiau iškylantys kelis tūkstančius kilometrų virš fotosferos - į vainiką. Jie vyksta visur Saulėje, ne tik akt…
Garso suvokimas žuvims
Garsas juk ir yra mechaniniai virpesiai, tad iš principo nėra skirtumo, ar žvejys rėkauja ant kranto, ar mėto akmenis į vandenį, ar brenda vandeniu - žvynuotosios tai savaip girdi. Trumpiau tariant, garso suvokimas žuvims turi platesnę prasmę nei žmogui. Dauguma žmonių įsitikinę, kad po vandeniu tvyro mirtina tyla. Išties taip nėra, veikiausiai nustebinsiu pasakydamas, jog ten gali būti triukšminga kaip kokio nors didmiesčio centre. Nors gali būti ir pakankamai tylu, tačiau visišką tylą abejoju ar rastume. Visu pirma - pats vanduo. Upėse jis teka lėčiau ir greičiau, tekėdamas verčiasi per akmenis, įvirtusius medžius, atsimuša į kitus kliuvinius ar grunto nelygumus. Stovinčiuose telkiniuose bus ramiau, bet juk ir ežeruose yra povandeninės, tegul ir lėtesnės nei upėse, srovės, čia tačiau labiau juntamas vėjo sukeltas bangavimas. Tas tikrasis žmogui girdimas triukšmas irgi skverbiasi į povandeninį pasaulį. Apie vėją, bangavimą ir nendrių šiurenimą jau sakiau, tačiau žuvys girdi ir šalia vandens telkinio pravažiuojančių automobilių burzgesį, žmonių balsus, ošiančius vėjyje medžius. Praplaukianti valtis baido žuvis ir variklio sraigto sukeltais virpesiais, ir variklio skleidžiamu triukšmu. Tačiau yra tam tikrų niuansų, nes esant dideliam bangavimui ežere arba srauniai tekant vandeniui upėje, tuose telkiniuose bus ir šiaip jau triukšminga, todėl bendrame triukšmo fone valties sukelti pašaliniai garsai jausis gerokai menkiau. Visgi reikia turėti omenyje, kad žuvys į minėtą bendrą triukšmo foną reaguoja daug mažiau, jos paprasčiausiai įpranta. Paradoksalu, tačiau vandens augalai arba akmenys, dugno nelygumai yra ne tik sąlyginiai triukšmo šaltiniai, bet ir jo slopintojai. Beje, dar vienas triukšmo šaltinis ir yra patys vandens gyventojai. Žvynuotųjų jutiminė sistema ištobulinta iki tokio lygmens, kad jos gali skirti atskirus gyvus padarus vandenyje. Ir netgi daugiau - identifikuoti, kokiame fiziniame stovyje yra vienas ar kitas gyvis. Aišku, šamui nerūpės vandens blusos, o ešeriui - bebro savijauta, jie yra susikoncentrave į savo įprastines aukas. Vėlgi nesiplėsiu ilgais pasakojimais, bet pasakysiu faktą, jog, tarkim, lydeka arba sterkas supras, kad pro šalį plaukia pūgžlys ar gružlys, plėšrūnės neklystamai atspės, kuri žuvis iš aukšlių būrio yra serganti ar sužeista. Apie povandeninę akustiką aiškinu kiek galima populiariau, iš mano rašliavos veikiausiai koks nors fizikas pasijuoktų, bet nemanau, kad klystu principiniuose dalykuose.
tags: #garso #greicio #priklausomybe #nuo #temperaturos