Акустика снега и льда

В утренние часы в горах происходит подтаивание находящегося между камнями льда. Это приводит к уменьшению сцепления камней друг с другом, к возникновению шумных камнепадов, лавин и осыпей. В вечерние часы камнепады происходят из-за перемещений камней при замерзании воды. Так как камнепады приносят людям немало вреда, разработаны приборы, предупреждающие о возможном обрушении пород – они фиксируют звуки, возникающие в горной породе при растрескивании, предшествующем камнепаду.
Растрескивание ледяного покрова на крупных внутри-материковых водоемах и в северных морях сопровождается звуками, напоминающими сухие ружейные выстрелы. Чем толще лед, тем шире и глубже трещины и сильнее звуки растрескивания. В полярных странах они настолько часты, что привыкшие к ним животные не боятся и настоящих выстрелов. Интенсивность растрескивания льда зависит от глубины и скорости выхолаживания, от степени неоднородности структуры льда и покрывающего его снежного покрова. Особенно благоприятно для образования трещин отсутствие снежного покрова на льду. Чаще всего растрескивание наблюдается при первых больших морозах в начале зимы и при резких потеплениях в ее середине. Вот как описывает звуковые эффекты при растрескивании льда на Телецком озере на Алтае О.И. Алекин: «В морозную ночь все озеро наполнено непрерывным треском, напоминающим отдаленную ружейную стрельбу, временами в эти звуки врываются более сильные удары, напоминающие удары колокола – это образуются более крупные трещины. Подхватываемые эхом соседних гор, звуки приобретают характер подземного гула...»
Разломы льда в океане под влиянием сил сжатия (ветер, течения) или сейсмических возмущений сопровождаются глухим гулом, похожим на отдаленные подводные взрывы.
В зоне вечной мерзлоты при замерзании подпочвенных вод происходит вспучивание почвы, образуются бугры. Возникновение значительных масс подпочвенного льда сопровождается резкими звуками, напоминающими артиллерийский обстрел. Деревья могут при этом склоняться до земли, в воздух поднимаются столбы снежной пыли и ледяных осколков.
Верхоянская впадина в Сибири во время зимних ночей сильно выхолаживается, В сухом приземном слое воздуха при температуре – 65° покрывающий почву неглубокий снежный покров наполовину испаряется. Все это создает благоприятные условия для охлаждения почвы. С сильным треском она при этом разрывается на небольшие участки (полигоны).
В полярных странах нередко наблюдается явление, получившее название «толчки фирна». Оно состоит в том, что при резком оседании верхних разрыхленных слоев снега возникают сопровождаемые сильным гулом и треском мощные колебания снежного покрова, простирающиеся на 3...4 м в глубину и охватывающие площадь в несколько десятков километров. «Толчки фирна» могут быть вызваны движением по поверхности снега машин, человека или животного, а иногда и просто давлением ветра. Впервые это явление было отмечено немецким метеорологом А. Вегенером в Гренландии во время экспедиции в 1930 году.
Внимательные наблюдатели природы давно уже обратили внимание на изменение с понижением температуры воздуха скрипа снега при ходьбе: при низких температурах скрип всегда более звонок. Некоторые метеорологи первой четверти нашего века предлагали даже оценивать температуру по воспринимаемым на слух изменениям в характере скрипа снега.
Акустические измерения показали, что в спектре скрипа снега имеются два пологих и не резко выраженных максимума – в диапазоне 250...400 Гц и 1...1,6 кГц. В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. При температуре воздуха выше – 6° высокочастотный максимум сглаживается и нередко полностью ликвидируется. С понижением температуры от – 8° до – 20° сила звука скрипа снега увеличивается на 1 дБ.
При ломке ледяных сосулек диаметром 1,5...4 см были отмечены два максимума акустической энергии – в диапазоне 125...200 Гц и 1,25...2 кГц. Максимумы эти достаточно резко выражены и четко отделены друг от друга. Такая же картина распределения акустической энергии по спектру наблюдается и при взламывании речного льда толщиной 0,5 м с помощью ледокола. Таким образом высокочастотные максимумы акустической энергии для скрипа снега, ломки сосулек и речного льда приходятся на один и тот же диапазон частот, низкочастотные же смещены по спектру. Это указывает на различие в жесткости структуры снега и льда.
Известно, что мягкие материалы при ударе или изломе дают глухой звук, в котором высокие частоты ослаблены или совсем не представлены. Понижение температуры окружающей среды ведет к увеличению твердости материалов, к усилению взаимодействия между частицами вещества. Поэтому при ударе или изломе тел, находящихся в условиях пониженной температуры, спектр возникающих акустических колебаний распространяется в область высоких частот.
Благодаря наличию множества воздушных промежутков между кристаллами льда, снежный покров имеет невысокую плотность, и его с полным основанием можно отнести к категории мягких материалов. При понижении температуры кристаллы становятся более упругими, а снежный покров в целом – более хрупким. Это и обеспечивает расширение акустического спектра скрипа снега в область высоких частот. Поскольку скрип снега является результатом массового слома кристаллов льда, можно полагать, что перераспределение энергии скрипа с температурой указывает на изменения в характере взаимодействия элементов структуры снежного покрова.
. В тихую морозную погоду при температуре воздуха ниже – 49° в холодных странах (особенно в Якутии) наблюдатели нередко отмечают шуршащий звук, напоминающий звук пересыпаемого зерна. На первых порах этот звук приписывали полярному сиянию, которое часто наблюдалось при этом явлении. Однако впоследствии было установлено, что причина явления – в столкновении кристаллов льда, которые образуются в большом количестве при дыхании человека в морозном воздухе. У якутов это явление известно под именем «шёпота звезд». Яркое описание его. дано Н.С. Лесковым в рассказе «На краю света».