Скорость звука на Марсе странно отличается от земной, выяснили ученые

Ученые подтвердили скорость звука на Марсе, используя оборудование ровера Perseverance для изучения атмосферы красной планеты, которая сильно отличается от земной.  

То, что они обнаружили, может иметь некоторые странные последствия для общения между будущими марсианами.

Результаты исследования показывают, что попытка поговорить в атмосфере Марса может привести к странному эффекту, поскольку звук более высокого тона распространяется быстрее, чем басовые ноты. Не то чтобы мы пытались, поскольку атмосфера Марса не дышит, но подумать об этом, конечно, интересно!

С научной точки зрения, результаты исследования, о которых сообщил на 53-й конференции по изучению Луны и планет Баптист Шиде из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, свидетельствуют о высоких температурных колебаниях на поверхности Марса, которые требуют дальнейшего изучения.

Скорость звука не является универсальной константой. Она может меняться в зависимости от плотности и температуры среды, через которую он проходит; чем плотнее среда, тем быстрее он проходит.

Вот почему в нашей атмосфере при температуре 20 градусов Цельсия звук проходит около 343 метров (1125 футов) в секунду, а в воде - 1 480 метров в секунду, в стали - 5 100 метров в секунду.

Атмосфера Марса гораздо более плотная, чем земная: около 0,020 кг/м3 по сравнению с 1,2 кг/м3 на Земле. Уже одно это означает, что звук будет распространяться на красной планете по-другому.

Но слой атмосферы, расположенный прямо над поверхностью, известный как планетарный пограничный слой, создает дополнительные сложности: В течение дня нагревание поверхности приводит к возникновению конвективных восходящих потоков, которые создают сильную турбулентность.

Обычные приборы для тестирования поверхностных тепловых градиентов обладают высокой точностью, но могут страдать от различных эффектов помех. К счастью, у Perseverance есть нечто уникальное: микрофоны, позволяющие услышать звуки Марса, и лазер, способный вызвать идеально синхронизированный шум.

Микрофон SuperCam был включен для записи колебаний акустического давления от инструмента спектроскопии лазерного пробоя марсохода, когда он сжигает образцы породы и почвы на марсианской поверхности.

Как выяснилось, это принесло отличную пользу. Чиде и его команда измерили время между выстрелом лазера и звуком, достигшим микрофона SuperCam на высоте 2,1 метра, чтобы измерить скорость звука на поверхности.

"Скорость звука, полученная с помощью этого метода, рассчитывается на всем пути распространения акустики, который проходит от земли до высоты микрофона", - пишут исследователи в своем докладе на конференции.

"Поэтому на любой заданной длине волны он искажается из-за колебаний температуры, скорости и направления ветра на этом пути".

Полученные результаты подтверждают прогнозы, сделанные на основе того, что мы знаем о марсианской атмосфере, подтверждая, что звуки распространяются через атмосферу вблизи поверхности со скоростью примерно 240 метров в секунду.

Однако причуда меняющегося звукового ландшафта Марса - это нечто совершенно необычное: условия на Марсе приводят к такой причуде, которая не встречается больше нигде.

"Благодаря уникальным свойствам молекул углекислого газа при низком давлении, Марс является единственной атмосферой наземной планеты в Солнечной системе, испытывающей изменение скорости звука прямо в середине слышимого диапазона частот (от 20 Герц до 20 000 Герц)", - пишут исследователи.

На частотах выше 240 Герц активированные столкновениями колебательные моды молекул углекислого газа не имеют достаточно времени, чтобы расслабиться или вернуться в исходное состояние. В результате звук на высоких частотах распространяется более чем на 10 метров в секунду быстрее, чем на низких.

Это может привести к тому, что исследователи называют "уникальным слуховым опытом" на Марсе: звуки более высоких частот будут доходить до слушателя быстрее, чем низкие.

Учитывая, что в ближайшее время астронавты, отправляющиеся на Марс, должны будут носить герметичные скафандры с коммуникационным оборудованием или жить в герметичных модулях обитания, это вряд ли создаст непосредственную проблему - но это может стать интересной концепцией для писателей-фантастов.

Поскольку скорость звука меняется из-за колебаний температуры, команда также смогла использовать микрофон для измерения больших и быстрых изменений температуры на марсианской поверхности, которые другие датчики не смогли обнаружить. Эти данные могут помочь заполнить некоторые пробелы о быстро меняющемся планетарном пограничном слое Марса.

Команда планирует продолжить использование данных микрофона SuperCam для наблюдения за тем, как такие вещи, как ежедневные и сезонные изменения, могут повлиять на скорость звука на Марсе. Они также планируют сравнить показания акустической температуры с показаниями других приборов, чтобы попытаться выяснить причины больших колебаний.