W jaki sposób dźwięk rozprzestrzeniania się na Ziemi i stacjach kosmicznych?

Pytanie

Pyta Franek

Wiem, że w próżni dźwięk się nie rozprzestrzenia, ponieważ nie ma tam żadnych cząsteczek; ale chciałbym się dowiedzieć jak ta sprawa ma się na stacjach kosmicznych itp., oraz skąd różne cząsteczki umożliwiające rozprzestrzenianie się dźwięku pojawiły się na Ziemi?

Odpowiedź

Odpowiada dr Marcin Gronowski

Fale akustyczne są sposobem przenoszenia energii przez ośrodek poprzez oscylacyjne zmiany ciśnienia i gęstości, co wiąże się z ruchem atomów/cząsteczek w danym ośrodku. Fale akustyczne mogą mieć różną częstotliwość i mogą występować w różnych materiałach. Przykładem fali akustycznej jest dźwięk (fale o określonych częstotliwościach, rozchodzące się w powietrzu), ale również ultradźwięki (używane w diagnostyce medycznej, np. USG) czy ruchy podłoża w tracie trzęsienia ziemi.

Załogowe stacje kosmiczne, takie jak Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, są wypełnione powietrzem, które umożliwia funkcjonowanie przebywającym tam osobom. Z tego powodu możliwe jest tam przekazywanie sobie normalnych komunikatów głosowych. Inaczej jest w przypadku misji bezzałogowych, gdzie rozchodzenie się dźwięku jest praktycznie niemożliwe. Warto tutaj dodać, że różne rodzaje fali mogą występować również w ośrodku międzygwiazdowym, który z punktu widzenia laboratoryjnego może zostać uznany za próżnie. Przykładowo sonda Voyager 1 jest wyposażona w odbiornik fal plazmowych. Mierzy on fale elektronów w zjonizowanym gazie (plazma), przez którą podróżuje obecnie. To właśnie wyraźna zmiana częstotliwości mierzonego sygnału (z około kilkuset herców do kilku tysięcy herców) pozwoliła stwierdzić, że w 2012 roku sonda Voyager 1 opuściła Układ Słoneczny. Dodajmy, że fala o częstotliwości kilku tysięcy Hz rozchodząca się w powietrzu jest falą dźwiękową.

Fale dźwiękowe mogą rozchodzić się przez dowolny ośrodek, więc nie są potrzebne żadne „specjalne” cząsteczki. Nasza atmosfera składa się w zdecydowanej większości z azotu i tlenu. Skład chemiczny naszej planety związany jest z tym, jak ona powstała. Formowanie Ziemi przebiegało wraz z formowaniem się Słońca i całego Układu Słonecznego. Początkowo był to obłok gazu i pyłu. Wiele podobnych obłoków można obserwować na niebie, znanym przykładem jest mgławica Worek Węgla. Obiekty takie składają się głównie z cząsteczek wodoru oraz atomowego helu, niemniej ponad 200 różnych cząsteczek zostało w nich wykrytych, zarówno bardzo proste: monotlenek węgla (potocznie zwany czadem) i woda; jak również bardziej skomplikowane jak fulereny, czy związki organiczne. Pojawienie się zgęstnień w obłoku, dzięki działaniu grawitacji, prowadzi z czasem do powstania protogwiazdy zanurzonej w pozostałościach pierwotnego obłoku. Właśnie z tych pozostałości formowały się planety, w tym nasza Ziemia. Wraz z czasem, skład chemiczny Ziemi nieznacznie ewoluował. Lekkie gazy, takie jak wodór i hel, o ile nie zostały zamknięte w szczelinach skalnych lub nie zostały związane z innymi atomami, mogły łatwo opuścić atmosferę Ziemi. Zderzenia z licznymi w młodym Układzie Słonecznym planetoidami mogły również wpłynąć na skład chemiczny. Po tym okresie, stosunki obfitości poszczególnych pierwiastków na naszej planecie nie ulegały już dużym zmianom. Niemniej, poszczególne atomy mogły tworzyć różne cząsteczki. Przykładowo pierwotna atmosfera była uboga w tlen, a zawierała relatywnie dużo związków węgla. Za ustalenie obecnego składu atmosfery odpowiedzialne były procesy geologiczne oraz rozwój różnych form życia.