Optiniai reiškiniai ir akustika prie žemės paviršiaus

Vilniaus universitetas Hidrologijos ir klimatologijos katedra Optiniai reiškiniai ir akustika prie žemės paviršiaus Hidrometeorologijos magistro studijų programos I kurso studento Virmanto Šmato VILNIUS, 2015

Turinys 1. Optika... 3 2. Akustika... 5 Literatūros sąrašas... 11 2

1. Optika Beveik pusė visos Saulės spinduliuotės pasiekia matomojo spektro bangomis. Kuomet Saulės spinduliai pasiekia atmosferą, jie yra sugeriami, atspindėti išsklaidyti arba perduodami ant įvairių paviršių. Kaip paviršiaus objektai reaguoja į patenkančią ant jų spinduliuotę, priklauso nuo objekto spalvos, tankio, sudėties bei pačios spinduliuotės bangos ilgio (Ahrens, 2009). Dėl didelių temperatūros ir vandens garų kiekio gradientų, oro sluoksnio tankis nėra homogeniškas prie ţemės paviršiaus. Nehomogeniškumo susidarymą lemia apatiniame atmosferos sluoksnyje susidarantys turbulentiniai srautai (angl. eddy diffusion). Dėl vertikalių tankio gradientų pasiskirstymo, susidaro optinių parametrų kaita (Geiger et. al., 2009). Ţemės paribio sluoksnyje vertikalus temperatūros gradientas (toliau VTG) yra pastovus, artimas sausaadiabatiniam temperatūros pokyčiui. Tokiomis sąlygomis pastebimas atmosferos nestabilumas ir padidėjusi turbulencija (Ketterer, 2011). Padidėjęs temperatūros gradientas ir sumaţėjęs turbulentinis srautas, sukuria palankias sąlygas formuotis nepastoviam oro sluoksniui. Realybėje tokia situacija stebima, kai vyksta ţvaigţdţių mirgėjimas. Oras esantis virš mūsų yra nuolatiniame judėjime. Įvairaus oro tankio advekcija, dėl temperatūros, kertanti mūsų regėjimo lauką, lemia refrakcijos susidarymą ir ţvaigţdţių mirgėjimą. Kai troposferoje vyrauja vertikalus temperatūros gradientas γ = 3,42 C/100 m, šviesos spinduliai keliauja tiesiniu srautu, be jokių iškraipymų (Geiger et al., 2009). Jei VTG viršija 3,42 C/100 m, atmosferos tankumas didėja su aukščiu ir sukuriamos palankios sąlygos formuotis nestabiliai atmosferos pusiausvyrai (angl. unstable equilibrium). Nestabili atmosferos pusiausvyra sutinkama rečiau nei stabili ar sąlyginai stabili atmosferos pusiausvyra. Nestabili atmosferos pusiausvyra susidaro apatiniame troposferos sluoksnyje, karšto sausringo ir dalinai sausringo klimato srityse. Tokios sąlygos palankiausios, kuomet Saulė būna aukščiausiame taške per metus ir paviršinis paviršius yra stipriai įšildomas (Willett, Sanders, 2013). Didesnis uţ 3,42 C/100 m vertikalus temperatūros gradientas išlenkia šviesos spindulius priešinga Ţemės išlinkimui, kryptimi (1.1 pav.) (Geiger et al., 2009) 3

1.1 pav. Apatinio miraţo susidarymas, kai tankesnis oras leidţiasi ţemyn, o VTG yra didesnis uţ 3,42 C/100 m. 1.2 pav. Šviesos spindulių refrakcija prie ţemės paviršiaus, giedromis ir debesuotomis birţelio dienomis. Neigiamos reikšmės parodo VTG didesnį nei 3,42 C/100 m ir šviesos spindulio išlinkimą atvirkščią Ţemės rutulio išlinkimui. Vertės parodo refrakcijos koeficientus, kurie yra santykis šviesos srauto išlinkimo spindulio ir Ţemės išlinkimo spindulys. Refrakcijos koeficientų kitimas paroje, vidutinėse platumose, kai regėjimo linija yra horizontali, pateikiama 1.2 paveikslėlyje. Analizuojamas sluoksnis siekia 3 metrus. Anomalios neigiamos išlinkimo reikšmės parodo, kad stebimas šviesos srautas patiria 50 kartų didesnį Ţemės išlinkimą, 10 cm aukštyje, iškart prieš vidurdienį, giedromis birţelio dienomis. Neigiamos reikšmės išnyksta tik 10 metrų aukštyje, o debesuotomis dienomis, tiesiog sumaţėja dėl ne taip intensyviai įkaitinto paklotinio paviršiaus. Teigiamos reikšmės pradeda vyrauti porą valandų po saulėlydţio ir išnyksta porą valandų prieš saulėtekį. Didţiausi teigiami koeficientai vyrauja giedromis, ramiomis naktimis. Teigiami koeficientai stipriausi būna, kuomet Saulė aukštis yra maţiausias (vėlyvu rudens ir ankstyvu ţiemos laikotarpiu) (Geiger et al., 2009) 4

Viršutinio miraţo (angl. superior mirage) atveju vyrauja stipri inversija prieţeminiame sluoksnyje. Tokio tipo inversijos būdingos vasarą, poliariniuose regionuose, virš šaltųjų vandenyno srovių, ledu padengtu eţerų (pavasario metu) arba šilto oro advekcija virš sniegu padengtų paviršių. Viršutinio tipo miraţai paroje pasirodo keletą valandų prieš ir po saulėlydţio ir saulėtekio. Taip pat palankios vėjuotos dienos, dienos su vidutiniu debesuotumu. VTG viršutinio miraţo metu yra maţesnis uţ 3,42 C/100 m (Geiger et al., 2009). Atmosferos reiškinys vainikas (angl. corona) daţniausiai susidaro apatiniame troposferos sluoksnyje, ant dirbtinių šviesos šaltinių (Bohren, Clothiaux, 2006). Jos susidarymą lemia šviesos difrakcija (Ahrens, 2009). Beveik visada vainikas susidaro, kai yra atmosferoje vandens lašelių. Tačiau prie 40 C temperatūros, gali susiformuoti ir dėl ledo kristalų esančių ore (Bohren, Clothiaux, 2006). Vainiko diametras yra daug maţesnis nei 22 halo. Tačiau dėl difrakcijos, vainikui galioja sąlyga, kad kuo maţesni vandens lašeliai ore, tuo didesnis vainiko spindulys aplink šviesos šaltinį. Vainikų išskirtinis bruoţas, periferijoje susidaranti raudono šviesos spektro bangos (Myers O. E., 1963). Taip pat prie vainikų, dėl šviesos difrakcijos yra priskiriamos glorijos (angl. glory), vaivorykštiniai debesys (angl. iridescence clouds), aureolė (vok. Heiligenschein), vaivorykštės (Ahrens, 2009) ir rūko vaivorykštė (Cowley, 1998). Vainikai, aureolės, vaivorykštės ir rūko vaivorykštė susidaro Ţemės paribio sluoksnyje. Rūko vainikas ypatingas tuo, kad jis susidaro maţesniuose vandens lašeliuose nei vaivorykštė. Dėl maţesnių vandens lašelių, šviesa išeidama iš lašelio nukrypsta 135 150 kampu. Rūko vaivorykštės spindulys svyruoja nuo 30 iki 40 (Cowley, 1998). 2. Akustika Temperatūra, VTG, vėjo greitis ir kryptis ir santykinis oro drėgnis lemia akustines atmosferos savybes. Visi išvardinti faktoriai daugiausiai lemia garso greičio pokyčius. Apskaičiuoti garso greitį galima pasitelkiant empirinę formulę: V s = 20.06 T; (2.1) čia Vs garso greitis (m/s), T oro temperatūra Kelvinais (K). Garso intensyvumas svyruoja prie ţemės paviršiaus dėl turbulencijos įtakos. Svyravimų daţnis didėja, augant pačiam daţniui. Jeigu 40 metrų atkarpoje leidţiamas 0,25 khz daţnis girdimas kaip vientisas (be jokių svyravimų) garsas, tai pakėlus daţnį iki 4 khz, girdimas garso kitimas kas kelias sekundes (Geiger et al., 2009). Paviršiniame sluoksnyje (50 100 m), dienos 5

metu, registruojami ne tik didţiausi vėjo gradientai, bet ir temperatūros. Šiame sluoksnyje ypatingai išryškėja turbulencija, dėl minėtų gradientų. Naktį šis sluoksnis sumaţėja (Rossing, 2014) Sprendţiant pagal 2.1 formulę, garso greitis didėja kartu su temperatūra. Jeigu temperatūros gradientas yra izotermijos būsenoje, tuomet garsas greitis nekinta ir išlieka pastovus (Geiger et al., 2009). Kai apatinėje atmosferoje susiformuoja inversija, o garso bangos sklinda pavėjui nuo šaltinio, garso greitis didėja. Ţemyn nukreiptos bangos (keliaujančios palei vėją), atsimušusios nuo paklotinio paviršiaus sukuria garso šešėlio zonas (angl. shadow zones) (Foken, Nappo, 2008). Šešėlio zona gali būti išplėsta priešvėjine pusėje, kai vyrauja vėjo greičio gradientas ir VTG. Tačiau pavėjinėje pusėje, vėjo gradientas nuslopina VTG, taip visiškai suardydamas šešėlio zoną (Rossing, 2014). Su aukščiu didėjanti temperatūra sudaro sąlygas garso bangų refrakcijai ir bangos nukrypsta ţemyn link paviršiaus (2.1 pav.). Susidariusi inversija sukuria palankias sąlygas garso bangos nukeliauti didesnius atstumus (Geiger et al., 2009) ir garso lygis maţėja daug lėčiau nei sąlygomis, kuomet inversijos nėra (Rossing, 2014). 2012). 2.1 pav. Garso bangų refrakcija, kai temperatūra su aukščiu didėja (Nave, Vėjo įtaka garso bangoms gali būti dvejopa: sustiprinti arba susilpninti. Jeigu garsas keliauja ta pačia kryptimi, kuria pučia vėjas, tuomet garso bangos nukeliaus ilgesnį kelią. Jei garsas keliauja priešinga vėjui kryptimi, garso bangos nutolsta nuo paviršiaus ir garso bangos kelias sumaţėja (2.2 pav.). Dėl garso divergencijos, maţėja ir garso intensyvumas su nuotoliu nuo šaltinio. Garso intensyvumas yra atvirkščiai proporcingas nukeliauto atstumo kvadratiniam metrui, nuo garso šaltinio (Geiger et al., 2009). Kadangi prieţeminiame sluoksnyje vyksta trintis, vėjo greitis maţėja ir keičiasi jo kryptis. Tolstant nuo paklotinio paviršiaus, vėjo greitis didėja su aukščiu. Trintis atmosferoje jaučiama iki 1 km ribos. Sluoksnis dar kitaip vadinamas Ţemės paribio sluoksnis (Ahrens, 2009). 6

2.2 pav. Garso sklidimas arti ţemės paviršiaus. a ir c variantai parodo garso pasiskirstymą, kai temperatūra su aukščiu maţėja. b ir d variantai, kai temperatūra su aukščiu didėja. 2.3 pav. Garso bangos refrakcija dėl vėjo greičio gradiento Garso greitis stipriai paveikiamas jeigu yra didelis santykinis oro drėgnis ir vyrauja aukšta temperatūra (1 lentelė). Net esant + 5 C ir 0 % santykiniam oro drėgniui, garso greitis bus 0,91 % didesnis nei vakuume. Jei oro temperatūra siekia + 40 C, o drėgnis 100 %, garso greitis bus 8,27 % didesnis (Geiger et al., 2009) uţ 331,3 m/s (teorinį garso greitį atmosferoje, kai oras yra visiškai sausas) (Mekjian, 2015 ). 7

1 lentelė. Bendras garso greičio padidėjimas (%) (lyginant garso greitį, kai oro temperatūra 0 C), dėl temperatūros ir santykinės oro drėgmės (Bohn, 1988). Garso bangų sugėrimas turi neigiamą poveikį garso sklidimui atmosferoje. Sniegas traktuojamas kaip labiausiai garsą absorbuojantis natūralus paviršius. Tačiau sugėrimas priklauso nuo bangos daţnio ir sniego sluoksnio (2 lentelė). 2 lentelėje pateikiami koeficientai, kurie parodo sugeriamą garso bangos dalį. Pavyzdţiui: jei daţnis siekia 0,5 khz, o sniego storis siekia 10 cm, tuomet 60 db garsumas bus sumaţintas iki 50 db. (Geiger et al., 2009). 2 lentelė. Sniego sugėrimo koeficientai, priklausomai nuo sniego storio ir garso daţnio. Vėjo garsas arba dar kitaip eolinis (angl. eolian sound), girdimas, kai vėjas juda aplink esančius objektus (medţius, pastatus, laidus ir pan.) Vėjo garso daţnis yra proporcingas vėjo greičiui, bet atvirkščiai proporcingas turbulentinio srauto dydţiams. Turbulentiniai srautai sukuriami aplink įvairius objektus (medţių šakas, laidus ir kt.) ir taip iškraipo garso daţnį (Geiger et al., 2009). Griaustinis susidaro ţaibo išlydţio metu, kuomet oras yra įkaitinamas ir girdima garso banga. Griaustinio garsas sklinda iš kiekvieno ţaibo išlydyje esančio taško (Geiger et al., 2009). Griaustinio garsas nuo ţaibo išlydţio skiriasi trimis sekundėmis per kilometrą. Laikoma, kad 20 C temperatūroje, griaustinis keliauja 340 m/s greičiu. Girdimas nuotolis nuo ţaibo išlydţio gali svyruoti nuo 25 iki 100 kilometrų (Rakov, 2003). Griaustinis yra skirstomas į keletą skambėjimo tonų: trenksmo (angl. clap), gaudimo (angl. peal), riedėjimo (angl. roll) ir dundėjimo (angl. rumble). Trenksmo garsas daţnai trunka nuo 0,2 iki 2 sekundţių. Daţnai garsas susidaro iš pavienių ţaibo išlydţių, išlydţio kanalas yra 8

santykinai platus. Ţaibo išlydis orientuotas statmenai į stebėtoją ir griaustinio intervalas svyruoja tarp 1 3 sekundţių. Teigiama, kad per išlydį pasitaiko 2 4 trenksmo garso griaustiniai. Gaudimas griaustinio metu priskiriamas labai stipriam garsui, kuris gali kisti įvairiuose daţniuose ir amplitudėse. Pasitaiko atvejų, kuomet trenksmo ir gaudimo griaustiniai vartojami kaip sinonimai. Ridenimosi garsas nepastovus garso kitimas vidutinėje amplitudėje. Dundėjimas priskiriamas silpniausiam garsui, tačiau jo trukmė trunka ilgiausiai. Jo daţnis taip pat yra pats ţemiausias iš visų išvardintų griaustinio skambėjimų (Rakov, 2003). Griaustinio spektras varijuoja nuo kelių dešimčių iki kelių šimtų Hz daţnio (2.4 pav.). 2.4 pav. Griaustinio garso spektras. Ties 100 Hz pateikiamas griaustinio pikas ţaibo metu. Brūkšninė linija reprezentuoja vėjo garso spektrą (Holmes et al., 1971). Griaustinio energijos srautas pateikiamas 2.4 pav., svyruoja nuo 4 10-4 iki 3 10-6 J m -2 s -1 Hz -1. Tačiau iš visų griaustinio registruotų duomenų, vidutinis energijos srautas svyruoja nuo 0,17 10-3 iki 19,3 10-3 J m -2 s -1 Hz -1 (Holmes et al., 1971). 9

Atmosferos akustikai didţiausią įtaką daro keletas meteorologinių parametrų: temperatūra, santykinis oro drėgnumas ir vėjas. Nors kai kurių parametrų tandemas gali sustiprinti garso bangos sklidimą, tačiau išimtinais atvejais, meteorologinių parametrų kombinacija gali labai stipriai sumaţinti akustines savybes. 10

Literatūros sąrašas Ahrens, C. D. (2009). Meteorology today: an introduction to weather, climate, and the environment (9th ed). Belmont, CA: Brooks/Cole, CengageLearning. Bohn, D. A. (1988). Environmental effects on the speed of sound. Journal of the Audio Engineering Society, 36(4), 223 231. Bohren, C. F., & Clothiaux, E. E. (2006). Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems. Weinheim; Chichester: Wiley-VCH ; John Wiley [distributor]. Cowley L. 1998. Atmospheric Optics: Fog Bow. Paskutinį kartą ţiūrėta 2015-03-08. http://www.atoptics.co.uk/droplets/fogbow.htm Foken, T., & Nappo, C. J. (2008). Micrometeorology. Springer Science & Business Media. Geiger, R., Aron, R. H., & Todhunter, P. (2009). The Climate Near the Ground (Seventh Edition edition). Lanham, Md: Rowman & Littlefield Publishers. Holmes, C. R., Brook, M., Krehbiel, P., & McCrory, R. (1971). On the power spectrum and mechanism of thunder. Journal of Geophysical Research, 76(9), 2106 2115. http://doi.org/10.1029/jc076i009p02106 Yggmcgill. Outdoor Sound Refraction - Own work. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - http://commons.wikimedia.org/wiki/file:outdoor_sound_refraction.png Ketterer C. 2011. Investigation of the planetary boundary layer using remote sensing and insitu measurements at the Kleine Scheidegg and at the Jungfraujoch. University of Bern. Switzerland Mekjin A. 2015. Physics of Sound: Speed of Sound. Paskutinį kartą ţiūrėta 2015-03-08. https://www.physics.rutgers.edu/ugrad/301/ Myers O. E. (1963). OPTICAL PHENOMENA IN PLANETARY METEOROLOGY. SIO Ref, 63, 4. Nave R. 2012. Refraction of sound. Paskutinį kartą ţiūrėta 2015-03-08. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/sound/refrac.html Rakov, V. A. (2003). Lightning: physics and effects. Cambridge, U.K. ; New York: Cambridge University Press. Rossing, T. D. (2014). Springer Handbook of Acoustics. New York, NY: Springer New York. Retrieved from http://link.springer.com/10.1007/978-1-4939-0755-7 Willett, H. C., & Sanders, F. (2013). Descriptive Meteorology. Elsevier. 11