¿Por qué los relámpagos moderadamente distantes suenan de la manera en que lo hacen: primero un trueno de tono alto relativamente silencioso y luego un trueno de tono bajo mucho más fuerte?

¿Por qué el trueno, que se escucha unos cinco o diez segundos después de que se ve el relámpago, comienza como un trueno "crepitante" de tono alto relativamente silencioso que es, unos cinco o diez segundos más tarde, seguido/reemplazado/ahogado por un trueno mucho más fuerte y grave? trueno lanzado 'retumbante'?

Tengo la impresión de que el sonido fuerte de baja frecuencia viaja mucho más rápido que los sonidos silenciosos de frecuencia media (por un factor de aproximadamente dos en el caso del sonido/estallido de una gran explosión nuclear, lo que significa que la onda expansiva de una gran explosión nuclear viaja al doble de la 'velocidad del sonido', es decir, unos 600 metros por segundo). Así que hubiera esperado que el sonido fuerte de baja frecuencia del relámpago me llegara antes y no después. Pero el sonido de baja frecuencia parece llegarme más tarde.

Editar: otra cosa que encuentro extraña es que, en muchos casos, los sonidos posteriores (los fuertes truenos) son notablemente distintos (o breves, con una duración máxima de aproximadamente 0,1 segundos cada uno, digamos), como una serie de grandes bombas explotando , como si viniera de puntos o pequeños volúmenes, en lugar de un rugido continuo que se hace más fuerte y más bajo al azar. Esto último podría ser lo que se espera si el sonido fuerte posterior proviene de una línea orientada al azar (con o sin ramas) con una longitud de quinientos metros a veinte kilómetros.

Seguramente, simplemente los ecos (de varias superficies) juegan un papel en esto.
Buena respuesta aquí , con información útil sobre la dispersión aquí .

Respuestas (4)

No soy un experto, pero pasé un tiempo con las referencias 1 y 2 hace varios años. Esta respuesta se basa en algunas notas que tomé.

Las mediciones que utilizan las ondas de radio producidas por los rayos indican que los relámpagos dentro de las nubes de tormenta (las que no podemos ver directamente) a menudo son en su mayoría horizontales, y pueden tener desde 1/2 km de longitud hasta 20 km de longitud, abarcando un gran parte de una gran nube de tormenta. Eso dice que la parte más distante del rayo puede estar varios kilómetros más lejos que la parte más cercana. Esa es al menos parte de la razón por la cual el trueno dura mucho más que el relámpago que lo produjo.

Además, los rayos suelen tener una forma irregular y ramificada. Los experimentos con chispas más pequeñas han demostrado que el sonido de un segmento dado suele ser direccional (más fuerte en algunas direcciones que en otras), por lo que los diferentes segmentos de un relámpago dentado tenderán a contribuir en diferentes cantidades al sonido general porque están orientados de manera diferente. . Esta es al menos parte de la razón de la rica textura del sonido.

Basado en esa información, aquí hay una conjeturasobre por qué el sonido de un relámpago moderadamente distante a menudo comienza con una parte más tranquila y aguda. Estoy imaginando la forma de un rayo como similar a la forma de un río con muchos afluentes más pequeños que contribuyen a él. Si estamos más cerca de uno de esos pequeños afluentes que de la parte principal del río, entonces escucharemos primero el sonido de ese pequeño afluente (especialmente si su orientación es favorable, porque el sonido es direccional), seguido del sonidos de las partes más sustanciales que están más lejos. Esto al menos parece explicar la tendencia de silencio a ruidoso, y tal vez también ayude a explicar la tendencia de frecuencia: las chispas más pequeñas aparentemente no producen tanto sonido de baja frecuencia como las chispas más grandes, por lo que la mayoría de las frecuencias más bajas provendrán de las partes más grandes, que están más alejadas en este escenario.

La atenuación dependiente de la frecuencia en la atmósfera y en el suelo también podría desempeñar un papel (referencia 3).

Referencias:

  1. Rakov y Uman (2003), Lightning: Physics and Effects (Cambridge University Press)

  2. Holmes et al (1971), "Sobre el espectro de potencia y el mecanismo del trueno" ( https://doi.org/10.1029/JC076i009p02106 )

  3. Lamancusa (2000), "Propagación del sonido en exteriores" ( https://www.mne.psu.edu/lamancusa/me458/10_osp.pdf )

Sin cuestionar sus recursos, tengo dudas de que la duración del flash sea responsable del sonido rodante. Si alguna vez ha experimentado un destello a unos 10-50 metros de distancia, sabe que solo hay un fuerte "baaam" que acompaña al destello. De acuerdo con su explicación, también debería escuchar un sonido de cola más largo pero más silencioso en tal situación, pero nunca lo he notado conscientemente. Por otro lado, si estos fueran "destellos secos especiales" sin balanceo, también deberíamos escucharlos a veces desde la distancia, lo que tampoco puedo confirmar por mi experiencia.
Sí, el volumen total de un rayo cercano es impresionante, incluso para mí como adulto e incluso sin fuego. :-o Tal vez sea algo de todas las explicaciones aquí. Sin embargo, tendería principalmente a mi explicación de guía de ondas.
@oliver Creo que la razón podría ser una suma de todas estas explicaciones.
Cuando una tormenta eléctrica está lejos, solo escuchamos el estruendo, no el estallido. ¿Prueba de que las altas frecuencias se amortiguan con los viajes de larga distancia? Otra conjetura sobre el retumbar retardado, ¿proviene tal vez de una cascada de descargas débiles que ocurren en la nube, después del rayo principal, para redistribuir la carga?
Un golpe cercano de la nube al suelo, que produce absolutamente un impulso de sonido muy intenso y singular, es un golpe vertical en el que la intensidad de cualquier sonido más distante se retrasa y también se debilita por 1 / r 2 . Pero imagine un golpe que está a una milla de distancia y una milla de largo, dirigido lejos de usted. El sonido del extremo lejano debe llegarle varios segundos más tarde que el sonido del extremo cercano. Es un modelo atractivo.
Diría que es mucho más probable que el extremo cercano de un rayo tenga un ángulo normal para el oyente, pero el extremo lejano está más cerca de estar "recto", por lo que las primeras ondas de sonido del extremo cercano llegan mucho más lejos. más juntas, pero las ondas del otro extremo llegan secuencialmente.
Habiendo podido ver (y escuchar) tales relámpagos claramente en el pasado, me parece probable que un relámpago horizontal más cercano, más pequeño, oculto, que precede a un rayo de nube a tierra más grande y más distante, sea una explicación muy probable para tales sonidos. . Al menos he experimentado relámpagos horizontales visibles cercanos que preceden a grandes rayos verticales en el pasado y suenan como algunos tipos de truenos, y describiría el sonido como si coincidiera con lo que creo que se trata la pregunta.
"Si alguna vez ha experimentado un destello a unos 10-50 metros de distancia, sabe que solo hay un fuerte 'baaam'". Los juicios/informes humanos sobre esto no tendrían ningún valor científico.
@Fattie: eres libre de compartir tu conocimiento rico y científicamente consolidado sobre el tema. Mientras tanto, las observaciones subjetivas combinadas con cualquier explicación teórica plausible pueden tener mucho más valor que un vacío mental.
@oliver LOL te escucho. Lo sentimos, a veces es difícil comunicarse en la zona. Todo lo que quise decir fue "los informes humanos sobre esto serían realmente poco confiables, es increíblemente difícil describir con precisión lo que sucede en tales situaciones y es fácil estar completamente equivocado".
@Fattie: posiblemente estés hablando de un tipo de flash muy diferente...
@Fattie: tal vez esta referencia esté a la altura de sus estándares de credibilidad científica youtube.com/watch?v=l_RfediFJFQ
@Fattie: "pero esto no es cosa de risa..." ^^

El aire no es un medio de dispersión de las ondas sonoras. Al menos, en condiciones normales.

Cuando se produce un rayo, el aire se calienta a una temperatura muy alta, creando una especie de onda de choque. El sonido que se escucha depende de la posición del observador, lejos o cerca del origen del trueno, y de la forma y dirección del rayo.

Los rayos pueden ser de nube a nube o de tierra a nube y pueden tener dirección vertical u horizontal. Se dividieron dos o más veces y luego el sonido producido por el rayo bifurcado también depende de esto. Luego de una primera frecuencia alta, las ramificaciones del trueno producen los estruendos, debido a que las ondas rebotan en las nubes y otros obstáculos.

Además, es necesario considerar la absorción del sonido que es más importante para alta frecuencia que para baja frecuencia, de manera que las ondas de alta frecuencia se propagan menos que las de baja frecuencia.

Probablemente la razón más simple para escuchar los retumbos después del tono alto se deba al hecho de que, como dije, la forma del rayo es compleja y tiene direcciones horizontales y verticales. Desde la vertical, el sonido del canal llega a la misma distancia del observador, mientras que en los canales horizontales, el sonido proviene de diferentes posiciones y orientaciones, creando ruidos porque el segmento del rayo se propaga a larga distancia; considerando también la absorción selectiva de alta frecuencia por lo que produce tonos de baja frecuencia que tienden a propagarse más lejos y duran mucho tiempo.

  1. Algunas informaciones interesantes: Martin A. Uman, La descarga del rayo.

  2. Lo más interesante (para mí): Arthur A. Few. Trueno, Scientific American (1975).

Actualización : la temperatura en la atmósfera también juega un papel. Las ondas de sonido van más rápido en el aire caliente que en el aire frío. Además, el aire frío en la superficie de la tierra y el aire caliente arriba pueden crear una cavidad donde las ondas de sonido pueden reflejarse en el suelo y refractarse.

Otras lecturas útiles: AA Few, Power Spectrum of Thunder, Journal of Geophysical Research (1969).

Hay algunas cosas interesantes en esta publicación, la mayoría de las cuales desconocía. Por esclarecedor que sea, la publicación no responde la pregunta.
Agregué algunas informaciones más.
siempre las capas de nubes entre ellas también pueden transportar sonido entre ellas, a grandes distancias.

Aunque tampoco soy un experto en tormentas eléctricas, supongo que los reflejos de las ondas de sonido entre la atmósfera/las nubes y/o el suelo son los responsables del retraso de las bajas frecuencias. Si se forma una guía de ondas plana entre capas de nubes o nubes/atmósfera frente a suelo, las ondas se verán obligadas a moverse solo en direcciones planas.

Para las guías de ondas lineales, se conocen las relaciones de dispersión, consulte este recurso para acústica, o esta pregunta de PSE para guías de ondas electrodinámicas (que son básicamente otra aplicación de la mecánica de ondas general en lo que respecta a las guías de ondas). La dispersión de la guía de onda lineal se reduce a una velocidad de grupo que tiende a cero para longitudes de onda que se acercan al infinito (es decir, para frecuencias bajas), mientras que longitudes de onda mucho más pequeñas se mueven aproximadamente como si no hubiera guía de onda.

Si se supone que una guía de ondas plana se encuentra en algún lugar entre una guía de ondas lineal y la propagación de ondas sin dispersión libre, está claro que habrá algún retraso para el ruido de baja frecuencia de un destello, mientras que las frecuencias más altas llegarán de acuerdo con la velocidad libre del sonido en aire.

En cuanto a la posibilidad de una guía de ondas formada por la atmósfera, recuerde que la atmósfera tiene una altura limitada. E incluso si comúnmente se considera que tiene un espesor del orden de varios kilómetros, la densidad del aire está cayendo rápidamente con la altura, y con la densidad del aire cambia la velocidad del sonido. Esto probablemente convierte a la atmósfera en una guía de ondas para alturas ya mucho más pequeñas que del orden de kilómetros (incluso se pueden observar reflexiones totales en gradientes de densidad para el fenómeno óptico de Fata Morgana).

Lo que este modelo también explica es que los relámpagos cercanos siempre suenan nítidos, mientras que solo los relámpagos más lejanos muestran el efecto de retardo dependiente de la frecuencia.

Hm, ese es un buen intento, pero miré la relación de dispersión que vinculaste; el efecto de desaceleración es significativo solo cuando la longitud de onda es del mismo tamaño que la guía de ondas. Atmósfera, tiene varios kilómetros de espesor, mientras que las ondas sonoras graves son de pocos metros. Por lo tanto, solo se puede esperar una pequeña dispersión. Pero, ¿el gradiente de densidad/temperatura puede jugar algunos trucos más?
@patta: lo que señalas es correcto con respecto al ambiente normal. Sin embargo, las tormentas eléctricas a menudo se correlacionan con la inversión de temperatura, lo que provoca distintas capas de aire mucho más bajas que la altura de la atmósfera. Ver también en.wikipedia.org/wiki/Inversion_(meteorology) , especialmente la sección "Sonido".
Pero creo que otra parte de la explicación es que la guía de ondas también es absorbente. Las ondas de sonido que comienzan casi verticalmente tendrán que reflejarse en el límite superior e inferior del conducto muy a menudo. Es mucho más probable que las frecuencias más altas sean absorbidas/canceladas durante estos reflejos múltiples (p. ej., difracción en el perfil del terreno, absorción por el suelo y los árboles), de modo que solo las frecuencias más bajas finalmente llegan al oyente indirectamente (mucho más tarde), mientras que las frecuencias más altas solo tienen una oportunidad de llegar al oyente en el camino directo.
Oh, sí, inversión, ese es un gran truco, no pude entender por mí mismo cómo se refleja el sonido.

Creo que es probable que el "sonido" inicial del rayo esté cerca de un impulso idealizado : un diferencial de presión extremadamente grande y repentino.

A continuación, tienes todo lo mencionado hasta ahora: las propiedades generales del sonido a través del aire, los límites impuestos por el suelo y las diferentes capas de ese aire, etc. La suma de todo esto en ese momento puede considerarse una función de transferencia .

Entonces, lo que escucha es la respuesta de impulso del sistema atmósfera/suelo para una fuente en la ubicación del rayo y un oyente en su ubicación en ese momento exacto.

¿Por qué los relámpagos moderadamente distantes suenan de la manera en que lo hacen: primero un trueno de tono alto relativamente silencioso y luego un trueno de tono bajo mucho más fuerte?
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