¿Por qué el trueno es tan fuerte? ¿Cómo surge este sonido?

El trueno se define como la radiación sonora que acompaña al relámpago. A grandes rasgos, el trueno está relacionado con todas las propiedades hidrodinámicas de la atmósfera que rodea una tormenta. Thunder se puede dividir en dos partes. Una es la energía sonora que el oído humano puede oír, llamada trueno, y la otra es el infrasonido, cuya frecuencia es inferior a la del trueno que el oído humano puede oír, normalmente por debajo de decenas de Hertz. En general, se cree que los mecanismos físicos de los dos tipos de minas terrestres son diferentes. Se cree que los truenos audibles son causados ​​por la rápida expansión de los canales de relámpagos calentados, mientras que se cree que los infrasonidos son causados ​​por la conversión de la energía almacenada en el campo electrostático de las nubes de tormenta cuando los relámpagos reducen rápidamente el campo eléctrico en la nube.

Truenos y relámpagos y su mecanismo de generación

La descripción del trueno tiene una historia de más de 2.000 años, pero no fue hasta 1963 que Malan (1963) utilizó términos modernos para el primera vez. Describe el sonido de un relámpago cercano. Latham (1964), Naka y Takuti (1970), Uman y Evans (1977) probaron Thunder. La descripción general de los truenos y relámpagos es que cuando un rayo cae a menos de 100 metros del observador, el sonido aparece primero como un "clic", luego como un crujido parecido a un látigo y finalmente se convierte en un trueno continuo. Malan (1963) creía que el sonido de "clic" era causado por la descarga piloto hacia arriba del cableado principal en el suelo. El crujido es causado por ondas de choque generadas en la parte del canal de retorno más cercana al observador. El ruido proviene de la parte superior del canal de escape curvo. Cuando el punto de impacto del rayo está a cientos de metros de distancia del observador, antes del primer aplauso, el oído humano escucha el primer sonido similar a una tela rasgándose, que dura casi un segundo, seguido de un fuerte aplauso. El sonido de desgarro se origina en (1) un canal de descarga vertical cuya longitud es similar a la distancia del observador. (2) Múltiples conexiones ascendentes lideran este proceso. Hill (1977) seleccionó una vez siete de los doce hechos sobre el trueno resumidos por Remillard (1960):

(1) Los relámpagos de las nubes suelen producir el trueno más fuerte.

(2) Los truenos sólo se pueden escuchar ocasionalmente a más de diez millas de distancia.

(3) La distancia del rayo se puede estimar mediante el intervalo de tiempo entre ver el rayo y escuchar el primer trueno.

(4) La turbulencia atmosférica reducirá la audibilidad de los truenos.

(5) Inmediatamente después del fuerte trueno, comenzó a llover copiosamente.

(6)La intensidad de los truenos parece variar de un lugar a otro.

(7) A medida que el estruendo continuaba, el tono del trueno se hizo más profundo.

Como todos sabemos, dado que la velocidad de propagación del sonido en el aire es de unos 330 m/s, la velocidad de propagación de la luz es de 3×108 m/s y la velocidad de desarrollo del canal es superior a 105 m/s. Por lo tanto, el uso de sonido y luz para alcanzar la diferencia horaria del observador puede estimar aproximadamente la distancia entre el canal de rayos más cercano y el observador. Por ejemplo, si la diferencia sonido-luz para el observador es de 10 s, la distancia desde el canal del rayo más cercano al observador es 330 m/s × 10 s = 3,3 km. Este método se utiliza a menudo para observaciones de campo.

Entonces, ¿cómo se forma el trueno? Según la teoría generalmente aceptada sobre la causa del rayo, la causa del trueno que el oído humano puede escuchar es la onda de choque de alto voltaje generada por la rápida expansión inicial del canal del rayo, que se degrada en ondas sonoras a largas distancias. El análisis espectral del canal de retorno muestra que la temperatura del canal de retorno alcanzará los 30000 K en menos de 10 μs. Dado que no hay tiempo suficiente para que la concentración de partículas en el canal cambie significativamente, la presión en el canal aumentará debido a. el aumento de la temperatura. Y subir rápidamente. La presión media del canal en los primeros 5 μs puede alcanzar los 10 bar. Esta sobrepresión en el canal provocará una fuerte onda de choque, provocando que el canal se expanda rápidamente.

Abramson et al. (1947) fueron los primeros en señalar teóricamente que cuando se produce una ruptura por chispa en el gas y la temperatura aumenta, el plasma se expandirá repentinamente con la onda de choque. Sobre esta base, se desarrolla un método analítico para resolver problemas hidrodinámicos en condiciones ideales de liberación instantánea de energía a lo largo de una fuente lineal infinitamente estrecha. Drabkina (1951) amplió posteriormente este método analítico al caso en el que la energía se acumula gradualmente en el canal de ruptura. Posteriormente, esta teoría fue promovida aún más por Braginskii (1958) y aplicada a los rayos. Sakurai (1953) y Lin (1954) dieron soluciones analíticas similares para la liberación instantánea de energía a lo largo de una fuente lineal infinitamente estrecha.

Una descripción perfecta del crecimiento del canal del rayo involucra muchos factores, como la transferencia radiativa, las condiciones iniciales en el canal antes de la corriente de retorno principal, la distribución temporal de la corriente de entrada y propiedades físicas como la conversión de energía eléctrica. en energía térmica en el plasma del canal, las pérdidas en el canal, así como propiedades geométricas como la longitud y la curvatura del canal. Aunque Trautmann (1969), Colgate y Mackey (1969), Hill (1971), Proust (1971a) y Few (1969). 1981) han tratado de discutir el problema del crecimiento del canal más cerca del canal del rayo, pero todos los tratamientos hasta el momento sólo consideran la distribución simétrica de la energía inicial en el cilindro, sin intentar simular un canal del rayo curvo real. Pero para las fuentes de línea finita, todos los resultados confirman que cuando los canales de rayos acumulan energía extremadamente alta por unidad de longitud, se generan ondas de choque de sobrepresión.

Algunos (1969, 1981) propusieron que el espectro de potencia del trueno tiene las características de una onda de choque de expansión esféricamente simétrica. Supongamos que la longitud promedio de un canal corto que se comporta como "fuente puntual" es igual a 3/4 veces el radio característico R0 del canal, R0=(En/πP0)1/2, donde En es la disipación de energía por unidad de longitud del canal, y P0 es la presión ambiental. La frecuencia del espectro de máxima potencia es FM = 0,63C0 (P0/e), donde C0 es la velocidad del sonido.

Aunque no existen suficientes experimentos sobre la propagación de ondas de choque causadas por rayos, Holmes et al (1971A), Dawson et al (1968) y Uman et al. propagación causada por una descarga de chispa larga en el laboratorio. El experimento básicamente confirmó la atenuación de la onda de choque mencionada anteriormente.

A diferencia del mecanismo de canal térmico que produce el trueno audible mencionado anteriormente, el infrasonido puede estar relacionado con la relajación del campo electrostático en la nube causada por los rayos que cambian la distribución de carga de la nube (Shao, 1985). De hecho, hasta ahora, aunque existe un modelo físico para describir el mecanismo de estos dos procesos, ¿cuál es la evidencia directa de estos dos mecanismos, cómo contribuyen estos dos mecanismos a los cambios observados en la presión de la mina, etc.? , no han sido resueltos.

Reconstrucción de canales de rayos por rayos

Si tres o más micrófonos que no están en línea recta registran las principales características del trueno al mismo tiempo, se puede lograr alcanzando cada uno micrófono. La diferencia entre sonido y luz se utiliza para determinar la ubicación de la fuente de sonido. Generalmente existen dos enfoques diferentes. Un método más preciso es el trazado de rayos, que puede proporcionar múltiples puntos de fuente de sonido en un evento de relámpago para reconstruir el canal de descarga del rayo. En este método, la distancia entre micrófonos es relativamente pequeña, normalmente decenas de metros. La dirección de la onda de sonido incidente se puede determinar mediante la diferencia de tiempo entre las características principales de la onda de sonido y cada micrófono, y luego la ubicación de la fuente de descarga se determina mediante la regresión matemática de los rayos direccionales a través de la diferencia de luz y sonido entre los rayos y el conjunto de micrófonos. El uso de este método para reconstruir canales de descarga de rayos se puede encontrar en los artículos de Shao y Teer (1974), Nakano (1976) y MacGoman et al (1981).

Otro método de posicionamiento acústico se llama alcance del trueno. En este método, los tres micrófonos están muy separados, generalmente del orden de kilómetros, y las posiciones medidas generalmente tienen grandes errores. Según la teoría de Minority (1981), cuando una señal acústica llega a dos micrófonos separados por más de 100 m, dejará de estar correlacionada debido a diferentes rutas de propagación, pero algunas características aproximadas seguirán presentes en dos micrófonos separados por kilómetros. En el caso de las explosiones de minas, la diferencia entre el sonido y la luz que llegan a una estación se puede utilizar para determinar la ubicación de la fuente de energía en la superficie esférica. El punto de intersección de las tres esferas obtenido por los tres micrófonos es el lugar donde ocurrió el trueno. El artículo de Uman et al. (1978) puede utilizar este método para reconstruir canales de rayos.