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意外と遠くまで伝わる音

身近な自然と科学 Vol.46 【意外と遠くまで伝わる音】から

まだ、季節的に早い話ですが、晩秋から真冬の寒い夜、いつもなら聞こえない遠くの音を聞いたという経験はないでしょうか。
私は、何度か数キロメートル離れた電車の走行音を聞いたことがあります。
皆さんの中には、夜間は生活騒音が減って静かになるからだ、
と思われる方も居らっしゃると思います。
それもあるのですが、・・・・・・

この問題のヒントは、“寒い夜”にあります。
地表は、日中は太陽からの赤外線を浴びて温度が上がり、地表から約11キロメートル上空までは地表の温度の影響を受けているため、上空に昇るほど温度(気温)は下がります。
この下がる割合はよく知られていて、1キロメートルにつき6.5度です。
高い山ほど気温が低いのは、この理由に拠ります。

重要なのは、夜間です。
太陽から熱をもらうことが出来なくなった地表は、今度は電磁波(主に赤外線)を放出し始めます。
早い話、地表が冷めるのです。
電磁波を吸収する物質ほど放出することが判って居て、これを『キルヒホッフの法則(注1)』と言います。
冷めた地表は、その近傍の空気からも熱を奪い、放出します。
曇がある場合は、地表から放出された赤外線は雲に当たり、その一部は反射されて再び地表を温める作用をしますが、よく晴れて雲が無い場合は地表は冷めっぱなしで、その近傍の空気の気温も下がり続けます。
これは『放射冷却』と言われます。

その結果、地表近傍の空気は上空より温度が低いという現象が起きます。
放射冷却によって出来る場合を、『接地逆転層』と言います。
Vol.43【霧】でも触れたのですが、この気象状態で空気中に含まれる水蒸気量が多い場合は
放射霧』という霧を発生させます(注2)

さて、ここで“音”の性質を振り返ってみましょう。
これもよく知られていることですが、気温が高いほど音は速く伝わります。
その速さV(音速)は、
V=331.45+0.61×t(m/s)
で表されます。
但し、1気圧。tは℃で表した気温。

いよいよ、気象状態と音との関係に入ります。
昼間は上空に昇るほど気温が低いのですから、地表付近で発生した音(音波)が斜め上空に進んだ場合は、音波は上方に屈折されてしまい地表に居る私たちは聞くことは出来ません。

音波が屈折する理由
「何で屈折するんだ?」という方のために解り易く説明します。
音波は四輪駆動の車だと思ってください。
(左右のタイヤしかない二輪車が良いのです。バイクではありません)
この車のタイヤの回転速度は、そのタイヤの位置の気温に比例するとします。
気温が高いほど速く回転する訳です。
この車を右斜め上に進めるのですが、右のタイヤを下側、左のタイヤを上側という姿勢にして考えます。
このマガジンを読んでいるディスプレイの上を走らせるなら、あなたに車の屋根を見せて右斜め上方に進んでいる姿を想像してください。
日中は、空気の下の方が温度が高いのですから、下側にある右のタイヤは、上側にある左のタイヤより速く回転します。
すると、車(音波)は上に向かって進んでしまいます。
音波が夜間は遠くまで伝わる理由
夜間は上空の気温が高いのですから、低い状態とは逆になり、斜め上方に進んだ音波は下向きに屈折されて、地表に居る私たちに聞こえます。
しかも、この音波は上空を伝わっているので、音波を反射吸収してしまう建物や樹木に妨害されずに遠くまで伝わります。
ですが、音波が空気中を伝わるには、空気を収縮膨張させるという仕事をしなければならないので早く減衰してしまいます。
この点が電波の遠距離伝播と違うところです。

ところで、例えば私が遠くの電車の走行音を聞いた時、電車から私の所を結んだ直線上に居る人たち全てが走行音を聞けた訳ではありません。
電車からの音波が直接伝わらない遠くの位置で、しかも音波が上空を伝わっている真下の位置では聞こえません。
これは電波も同じで、電波の短波帯(3〜30Mhz:外国向け放送、漁業無線など)を使う通信では、不感地帯として大きな問題になります。

ここで、大音響を発生させたらどうなるか?を考えてみました。
結果から書きますと、この音は昼夜や季節に関わらず恐ろしく遠くまで伝わるのです。
大気の中には、安定して上方ほど気温が高い層があります。
地表から11〜50キロメートルの所にある成層圏です。
地表から成層圏、成層圏から地表まで伝播できるエネルギーを持った音波なら高い地点で屈折する分、遠くまで伝わるのです。
第一大戦中・・・・
フランスでの砲撃音がイギリスの海岸で聞こえた例があるそうです。

注1:
キルヒホフ【Gustav Robert Kirchhoff 1824-1887】
ドイツの物理学者。定常電流に関するキルヒホフの法則の発見者。
熱放射論の先駆をなしたほか、ブンゼンとともに分光学の基をひらき、また、弾性論・音響学・熱学などに功績を残した。
〜 広辞苑4版より 〜


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