Horror audiofila, czyli odsłuch dźwięku w warunkach marsjańskiej atmosfery

Zacznijmy od tego, co to jest prędkość dźwięku? To zgodnie z definicją prędkość rozchodzenia się fali dźwięku w ośrodku. Oznacza to, że aby mówić o prędkości dźwięku trzeba mieć jakikolwiek ośrodek, w którym ten dźwięk może się rozchodzić. Fala dźwiękowa powstaje bowiem w wyniku kompresji i rozrzedzenia substancji tworzącej ten ośrodek. Jest to fala podłużna, czyli taka, w której drgania mają kierunek taki sam jak kierunek ich rozprzestrzeniania się.

Dlatego w próżni, gdzie praktycznie nie ma materii, trudno mówić w ogóle o rozchodzeniu się dźwięku. Dla istniejącej w takich warunkach formy życia takie zestawienia jak najlepsze mikrofony czy głośniki Bluetooth nie miałyby sensu. Nawet biorąc pod uwagę fakt, że nawet w kosmosie nie istnieje idealna próżna, bo mamy materię międzyplanetarną czy też międzygwiezdną, to jej gęstość jest tak zazwyczaj tak mała, że o rozchodzeniu się dźwięku nie ma mowy. 

Logicznym wnioskiem jaki nam nasuwa się po takiej definicji, jest ten, że prędkość dźwięku może mieć związek z gęstością ośrodka i innymi jego własnościami. Na Ziemi prędkość dźwięku w powietrzu w sytuacji, gdy mowa o dźwięku o małym natężeniu (a to ma miejsce w praktycznie każdym przypadku, z którym mamy do czynienia) nie zależy od częstości drgań. Dlatego dźwięk, składający się z różnych częstotliwości, dociera do odbiorcy w tym samym czasie w całości (pomijam tu wpływ przeszkód i ewentualne odbicia, które modelują dźwięk). Prędkość dźwięku zależy za to od temperatury powietrza.

Standardowo przyjęta prędkość dźwięku to 340 m/s, czyli prędkość jaką dźwięk osiąga w temperaturze 15 stopni. W upalny dzień, dźwięk rozchodzi się nieco szybciej, a w mroźnej aurze, prędkość jest sporo mniejsza. Przy -40 stopniach Celsjusza jest to już 306 m/s, podczas gdy przy 40 stopniowym upale jest to 355 m/s.

Mowa tu oczywiście tylko o powietrzu, bo na przykład w drewnie, metalu, diamencie prędkość jest inna. W diamencie to aż 18 km/s, z kolei w atmosferze składającej się wyłącznie z dwutlenku węgla tylko 259 m/s.

I skoro już mowa o dwutlenku węgla, to warto powrócić na tego Marsa, gdzie przecież atmosfera jest właśnie wypełniona w większości tym gazem. Dwutlenek węgla stanowi 95% składu marsjańskiej atmosfery. Jest tam zwykle także sporo zimniej niż na Ziemi i co chyba najważniejsze, gęstość atmosfery jest praktycznie znikoma w porównaniu z gęstością atmosfery na Ziemi. Nawet na szczycie Mount Everest powietrze jest wciąż 50 razy gęstsze niż średnia gęstość powietrzna na Marsie w miejscu gdzie swoje eksperymenty związane z pomiarami prędkości dźwięku przeprowadzał łazik Perseverance.

Do testów wykorzystano kilka różnych źródeł dźwięku. Dla przykładu rotory helikoptera Ingenuity obracające się w tempie 2500 obrotów na minutę wytwarzają dźwięk o częstotliwości 84 Hz, z kolei fala dźwiękowa powstająca w wyniku odparowywania fragmentów skał po strzale laserem instrumentu SuperCam ma częstotliwość 2000 Hz. Te źródła dźwięku znajdują się w sporej odległości od łazika w przeciwieństwie od kół łazika, które tocząc się po powierzchni Marsa także wydają odgłosy. Dźwięk rejestrowany jest przez mikrofony Perseverance.

Na podstawie tychże pomiarów udało się określić prędkość rozchodzenia się dźwięku w marsjańskiej atmosferze. Jak się można było spodziewać prędkość ta jest podobna jak w ośrodku całkowicie składającym się z dwutlenku węgla, ale co ciekawe zależy od częstotliwości dźwięku.

Prędkość dźwięku na Marsie zależy od częstotliwości, im jest ona większa tym wyższą prędkość ma dźwięk

I tak niskie tony rozchodzą się z prędkością 240 m/s, podczas gdy tony wyższe osiągają prędkość 250 m/s. Zapewne drgania o jeszcze wyższych częstotliwościach, których Perseverance nie mógł rejestrować, propagują się jeszcze szybciej. I teraz wyobraźcie sobie odgłos instrumentu, który składa się z różnych częstotliwości, albo kilka instrumentów o różnej tonacji brzmienia, które grają na Marsie. Co usłyszałyby nasze uszy? Pomijamy tu fakt trudności w funkcjonowaniu człowieka na powierzchni Marsa bez kombinezonu lub pomieszczenia, w którym powietrze będzie miało gęstość zbliżoną do ziemskiej.

Powyższa zależność według naukowców to konsekwencja bardzo rzadkiej, zimnej i składającej się w większości z dwutlenku węgla atmosfery. To wszystko było wcześniej w sferze teoretycznych domysłów, ale teraz nawet krytycy nie zaprzeczą, skoro mamy faktyczne pomiary.

Cała sprawa nie jest oczywiście tak prosta, bo na Ziemi w przypadku odsłuchu muzyki ważną rolę grają także zakłócenia wprowadzane przez przeszkody w otoczeniu, a to również zmienia brzmienie w porównaniu z tym naturalnym. Na Marsie zmienna prędkość byłaby takim dodatkowym kłopotem.

Otoczenie na Marsie ma jeszcze jedną cechę. Choć dźwięk może się tam rozchodzić, to bardzo szybko ulega on stłumieniu. Już po pokonaniu 8 metrów może ulec on mocnemu wyciszeniu, a w przypadku najwyższych częstotliwości całkowitemu wytłumieniu. To 8 razy krótszy dystans niż na Ziemi. Z tego też powodu naukowcy sugerują, że na Marsie jest przez większość czasu bardzo cicho. Tak cicho, że kontroli misji wydawało się, że mikrofony łazika uległy uszkodzeniu i nie działają.

Niskie ciśnienie w marsjańskiej atmosferze sprawia, że dźwięk na Marsie jest bardzo szybko tłumiony

Warunki przypominają zapewne te, które panują w komorze bezechowej, która dla audiofila jest teoretycznie idealnym miejscem do odsłuchu (w praktyce charakter pomieszczenia potrafi mieć korzystny wpływ i nie zawsze taka komora jest komfortowa). Podobnie jak zabójczy dla naszych płuc skład tamtejszej atmosfery.

Źródło: NASA, inf. własna