Один и тот же звук в воздухе распространяется не с абсолютно постоянной скоростью. На неё влияет температура газа: в тёплом воздухе возмущение передаётся быстрее, чем в холодном. Эта разница невелика в бытовых масштабах, но именно она помогает понять поведение звука в атмосфере.
Температура действительно меняет скорость звука
Звук в воздухе представляет собой механическую волну: источник создаёт чередующиеся области сжатия и разрежения, а возмущение передаётся от одной области газа к другой. В вакууме такой механизм невозможен, потому что там нет среды, способной переносить звуковую волну.
Для газа скорость звука связана с его температурой и свойствами. В приближённой модели для воздуха она растёт пропорционально квадратному корню из абсолютной температуры. Поэтому при нагревании воздуха звуковая волна распространяется быстрее, а при охлаждении — медленнее.
По данным материалов NASA, в сухом воздухе при 20 °C скорость звука составляет примерно 343–344 метра в секунду, а при 0 °C — около 332 метров в секунду. Разница заметна для точных измерений и больших расстояний, хотя в обычной комнате человек её практически не ощущает.
Дело не в том, что тёплый воздух просто «легче»
Распространение звука определяется тем, как среда реагирует на небольшие изменения давления. Для газа важны его термодинамические свойства и абсолютная температура. Поэтому объяснять эффект только уменьшением плотности нагретого воздуха было бы слишком грубо.
Температура связана со средней кинетической энергией частиц. В более тёплом газе молекулярное движение интенсивнее, а небольшое возмущение давления при прочих равных передаётся быстрее. Формула скорости звука в идеальном газе непосредственно содержит абсолютную температуру.
Влажность тоже способна немного изменить результат. NASA указывает, что при одинаковой температуре звук в очень влажном воздухе распространяется немного быстрее, чем в сухом. Однако для атмосферы главным фактором, определяющим скорость звука, Национальная метеорологическая служба США называет температуру.
Из-за слоёв воздуха звук может менять направление
Атмосфера редко имеет одинаковую температуру на всей высоте. Если скорость звука в соседних слоях различается, направление распространения волны постепенно меняется. Такое преломление помогает объяснить, почему один и тот же далёкий источник при разных погодных условиях слышен неодинаково.
Национальная метеорологическая служба приводит пример с громом. Обычно температура воздуха с высотой уменьшается, но при температурной инверсии выше может находиться более тёплый слой. Поскольку в нём звук идёт быстрее, волна преломляется, и часть звуковой энергии может снова направляться к поверхности.
Именно поэтому фраза «скорость звука равна 343 метрам в секунду» требует уточнения. Это удобное ориентировочное значение для воздуха примерно при комнатной температуре, а не универсальная постоянная для любой погоды и любой среды.
В воде и твёрдых телах всё иначе
Температура — не единственное, от чего зависит скорость звука вообще. При переходе от воздуха к воде, стеклу или металлу меняются свойства самой среды. Поэтому сравнивать скорости только по температуре можно лишь при прочих сопоставимых условиях.
Например, NASA приводит для воды скорость порядка 1,5 тысячи метров в секунду, то есть значительно выше, чем в воздухе. В твёрдых материалах она также может быть во много раз больше воздушной, поскольку упругие возмущения там передаются иначе.
Получается, знакомое число из школьной физики — это не неизменная характеристика самого звука. Скорость определяется средой и её состоянием, а в атмосфере одним из самых наглядных факторов становится температура воздуха.