Астрономія
Фізика
Астрономія
Фізика

Марсохід «Персеверанс» виміряв швидкість звуку на Марсі

Використовуючи свій лазер, яким можна вивчати склад марсіанських порід, а також вбудований мікрофон, ровер «Персеверанс» виміряв швидкість поширення звуку на Марсі. У представленій на 53 Конференції з місячних та планетарних наук роботі, дослідники заявили, що швидкість звуку на Червоній планеті складає 240 метрів на секунду. Це на сто метрів менше, ніж цей параметр у земних умовах.

NASA

NASA

Як поширюється звук?

На відміну від світла, якому у поширенні не заважає і вакуум, для звуку середовище — вкрай важлива характеристика. Загалом звукова хвиля — це збурення атмосферного тиску, яке виникає внаслідок вібрації. Щоб бути чутними нам, ці вібрації мають бути як 20-20 000 коливань на секунду (діапазон від 20 герців до 20 кілогерців). За цими межами звук набуває назв «ультразвук» чи «інфразвук». Але попри те, що звук оточує нас всюди, від атмосфери до космосу, головною умовою його існування є пружне середовище. У ньому вібрації від джерела звуку дістаються свого слухача у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі завдяки взаємодії частинок одна з одною. Власне тому повітрям звук до вас дійде краще, ніж під водою.

І тому швидкість звуку тісно пов'язана із параметрами середовища, що дає можливість використовувати звук для їхнього дослідження. Адже на доповнення до логічного зниження рівня звуку з віддаленням від джерела, він змінюватиметься залежно від неоднорідностей атмосфери чи структури ґрунту. Власне тому іспанські, американські та французькі вчені доручили марсоходу «Персеверанс» уточнити швидкість поширення звуку на Марсі.

Через що має пройти звук на Марсі?

Планетарний граничний шар Марса (Planetary Boundary Layer), тобто нижній шар його атмосфери, який взаємодіє з поверхнею, являє собою високодинамічний шар, який має свій власний денний цикл. Так, наприклад, вдень цей шар відрізняється високою турбулентністю через викликані нагрітою Сонцем поверхнею конвективні потоки, що підіймаються вгору. Вночі ж, навпаки, атмосфера більш стабільна і стратифікована. Цей приповерхневий шар на Марсі досліджували за допомогою модулю Mars Pathfinder та марсоходів Spirit і Opportunity.

З їхньою допомогою планетологам стало відомо, що у цьому шарі атмосфері існує температурний градієнт, і ці зміни здатні спричиняти коливання швидкості поширення звуку до 10 відсотків. Приповерхнева атмосфера демонструє максимальну нестабільність у другій половині дня з коливаннями температури до 8 кельвінів у масштабі часу коротше 30 секунд. Це, до прикладу, змусить коливатися швидкість звуку на два відсотки.

Новим марсоходом, якому довірили завдання з вимірювання швидкості звуку став «Персеверанс», наділений інструментом SuperCam. Він має досліджувати хімічний та мінеральний склад марсіанських порід за допомогою двох лазерів і чотирьох спектрометрів. З SuperCam ровер зможе вивчати каміння на відстані десяти метрів від себе. У процесі дослідження SuperCam створює акустичну хвилю своїм потужним інфрачервоним лазером, що можна використати, послуговуючись двома встановленими на марсоході мікрофонами. Швидкість звуку визначається за доволі простим алгоритмом - використанням часу поширення створеного лазером акустичного сигналу, за який він пройде від поверхні планети до мікрофона «Персеверанса».

Мікрофон на SuperCam. NASA / JPL-Caltech

Мікрофон на SuperCam. NASA / JPL-Caltech

Як голосно потрібно кричати на Марсі?

Типова робота SuperCam складається з серії з 30 лазерних імпульсів з частотою у три герци (загальним часом у 10 секунд) у кожну визначену ціль. Для дослідження потрібно від 5 до 10 таких серій, тож загалом аналіз за допомогою цього інструмента триває близько 20 хвилин. Звук виникає після створення лазером ударної хвилі, яка і потрапить до мікрофона «Персеверанса» у вигляді високочастотного (більше двох кілогерців) акустичного сигналу. Завдяки точній синхронізації між лазером і мікрофоном, час поширення цього сигналу можна визначити з точністю до 10 мілісекунд. Відтак з точністю до 0,51 відсотка можна визначити, що час поширення звуку від цілі на відстані двох метрів, займаючи 8,33 мілісекунди, вказує на швидкість поширення звуку на Марсі — 240 метрів на секунду. Це повільніше, ніж 340 метрів за секунду, з якими звук поширюється на Землі.

Завдяки унікальним властивостям молекул вуглекислого газу за низького тиску, Марс є єдиною атмосферою в Сонячній системі, де швидкість звуку змінюється прямо в середині чутного діапазону частот, тобто від 20 герців до 20 кілогерців. Виявляється, на Марсі частоти вище 240 герців поширюються більш ніж на 10 метрів на секунду швидше, ніж низькі частоти. Тож якщо ви слухатимете на Марсі музику, то високі звуки долетять до вас швидше, ніж, наприклад, бас.

Швидкість звуку, отримана за допомогою цього методу, обчислюється по всьому шляху розповсюдження звуку, що йде від ґрунту до висоти мікрофона. Отже, на будь-якій точці маршруту він може зіткнутися зі змінами температури, швидкості та напрямку вітру. Тому цей параметр, швидкість, з якою звук подолає певний відрізок шляху цим шаром атмосфери, допоможе встановити температуру і швидкість вітрів на планеті, але при цьому не потрапить під обмеження, наприклад, традиційних сенсорів та вимагає значно меншого часу вимірювання.

Удари лазера SuperCam по каменю можете почути і ви — NASA опублікувало звуки, записані «Персеверансом» на поверхні Марса, серед яких є ще і пориви марсіанського вітру. А фізики раніше вперше вирахували теоретичну верхню межу швидкості звуку — на їхню думку, він не поширюватиметься швидше, ніж 36 кілометрів на секунду.


Фото в анонсі: NASA