Kaugeleulatuv heli

Minu maja asub Ohios Cleveland Heightsis, mis asub tasasest Eerie järvega külgnevast maa-alast ülevalpool. Cleveland Heightsi jalamil tasasel maal kulgeb raudtee. Ma ei näe seda raudteed kohe kindlasti, sest see pole mitte ainult kaugel, vaid minu vaadet varjab ka Cleveland Heightsini viiv mäehari ning tuhanded puud ja majad. Miks võib mõningatel öödel aga raudteerööbaste kolinat minu kodus kergesti kuulda?

Kui ühes paigas tekivad valjud korduvad plahvatused, näiteks korduvas suurtükiväe tules, siis võib neid kuulda ainult asukoha ümbruses. Kui sealt eemale sõita, siis heli intensiivsus väheneks esimeses (tsentraaltsoonis), kaoks teises tsoonis ning naaseks siis uuesti kolmandas tsoonis. Miks tekivad sellised tsoonid?

Kui Ameerika Ühendriikides Washingtoni osariigis asuv Saint Helensi vulkaan 1980. aastal purskas, siis oli selles vabanenud energia võrdne mitme megatonni dünamiidi plahvatusega. Miks ei olnud vulkaanipurset kuulda lähemal kui 100 kilomeetri kaugusel?

Esimeses maailmasõjas kulutasid Briti sõdurid Belgias Ypresist lõunas asuva Meseni lähedal aasta, et kaevata maasse 21 tunnelit, mis ulatusid 30 meetri sügavuselt Saksa ründeliini alt läbi. Kui tunnelid olid valmis, siis pandi neisse ligi 450 000 kilogrammi lõhkeaineid ning 1917. aasta 7. juunil lõhkasid britid 19 neist 21-st peidupaigast (kaks tükki ei lõhkenud), tekitades seni suurima inimpõhjustatud plahvatuse. Plahvatust võis kuulda Londonis ja isegi Dublinis, mis asuvad sadu kilomeetreid eemal. Kuidas võis plahvatuse heli kosta nii kaugele? (Üks järelejäänud peidupaikadest plahvatas kogemata 1955. aastal toimunud äikesetormi ajal, tappes õnneks vaid ühe lehma. Järelejäänud lõhkeained, mis asuvad üpriski määratlemata asukohas, on senini lõhkemata ning tekitavad suurt muret läheduses elavatele inimestele.)

Vastus Kui helilaine levib vertikaali suhtes mingi nurga all, muudab see oma liikumissuunda, kui õhus on temperatuurierinevusi. Öeldakse, et heli murdub ehk tekib helilaine refraktsioon. Kui temperatuur alaneb, siis hakkavad helilained liikuma vertikaali suhtes väiksema nurga all. Kui temperatuur aga tõuseb, siis liiguvad need suurema nurga all või võivad isegi „ümber pöörduda” ning tagasi maapinna poole liikuda. Raudteerööbaste kolinat kuulen ma oma kodus öödel, mil maapinnast palju kõrgemal asuv õhukiht on soojem kui selle all asuv õhukiht – olukord, mida tuntakse inversiooni nime all. Mõningad rööbastelt üles liikuvad helilained painutatakse tagasi Cleveland Heightsi poole ning kõik kuulevad seda (joonis 3-2).

Ka endisajal tunti seda helilainete kaugemale levimist inversiooni tõttu üpriski hästi. Näiteks teadsid suulu hõimude mehed, et kui oodata õhtuni, mil õhk orus on oru kohal olevast õhust jahedam, võivad nad üksteist üle oru kuulda kuni kahe kilomeetri kaugusele.

Kui plahvatuse helilained liiguvad üles kõrgele õhku, siis võivad need tagasi maapinna poole painduda stratosfääri (see õhukiht asub allpool stratopausi, mis asub 42 kilomeetri kõrgusel) ning termosfääri (see asub mesopausi kohal, 85 kilomeetri kõrgusel) alumise osa temperatuuri tõusu tõttu. Seejärel võivad helilained jõuda maapinnani oma allikast üllatavalt kaugel – palju kaugemal, kui mööda maapinda liikuvad helilained, mille teel on ees nii puud, hooned kui ka teised takistused. Seega on heli kuuldav esimesest (tsentraalsest) tsoonist palju kaugemal. Kui naasnud heli peaks maapinnalt peegelduma, võib see teha õhus veel ühe põrke ning naasta maapinnale veelgi kaugemas tsoonis.

Kui Saint Helensi vulkaan purskas, siis moodustusid survelained (purskest väljapoole liikuvad osakesed suruvad õhku kokku) liiga aeglaselt, mistõttu inimkõrv neid ei tajunud. Seega ei olnud survelainet kuulda Washingtoni osariigis Toledos, mis asus 45 kilomeetri kaugusel (lisaks ei kahjustanud see seal ka aknaid ega teisi õrnu objekte). Kui survelained jõudsid aga stratosfäärini, siis kogunesid need kokku ning suundusid tagasi maapinna poole. Kui need rohkem kui 100 kilomeetri kaugusel maapinnani jõudsid, olid nende rõhuerinevused kuulmiseks piisavalt suured.

Meseni lähedal toimunud plahvatuse heli liikus samamoodi üles stratosfäärini ning seejärel tagasi maapinnale. Erinevalt Saint Helensi vulkaanipurskest tekkisid survelained plahvatuskohas aga kiiresti ning sõdurid kuulsid väga intensiivset heli.

Helilaine liikumissuunda mõjutab ka tuul. Kui helilaine liigub allatuult ülespoole, siis selle trajektoor paindub ja naaseb mingil kaugusel tagasi maapinnale. Mõnikord võib see heli naasmine toimuda lausa üllatavalt kaugel.