Η ταχύτητα του ήχου στην ατμόσφαιρα του Άρη

Το διαστημικό όχημα της NASA Perseverance είναι το πρώτο που κατέγραψε και έστειλε στην Γη ήχους από τον κόκκινο πλανήτη (ακούστε ΕΔΩ και ΕΔΩ). Στη συνέχεια οι επιστήμονες ανέλυσαν τις ηχογραφήσεις και μέσα από αυτές κατάφεραν να υπολογίσουν για πρώτη φορά την ταχύτητα διάδοσης του ήχου στην ατμόσφαιρα του Άρη. Τα αποτέλεσμα, που παρουσιάστηκε πριν από δύο εβδομάδες από τους Baptiste Chide et al στο 53ο Συνέδριο Σεληνιακής και Πλανητικής Επιστήμης στο Τέξας, επιβεβαιώνει μια αναμενόμενη ακουστική ιδιορρυθμία της ατμόσφαιρας του Άρη. Τα δεδομένα των αρεινών ήχων παρέχουν επίσης μια ανεξάρτητη μέθοδο για την μέτρηση της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας του πλανήτη, που συγκρίνεται με τις μετρήσεις του θερμομέτρου που διαθέτει το ρόβερ.

Η ατμοσφαιρική πίεση στην επιφάνεια του Άρη είναι 6 mbar, ούτε το 1% της ατμοσφαιρικής πίεσης στην Γη. Πολλοί επιστήμονες πίστευαν ότι σε μια τόσο αραιή ατμόσφαιρα δεν θα μπορούσαν να διαδοθούν τα ηχητικά κύματα. Αλλά αυτό σαφώς και δεν ισχύει. Η πρώτη ηχογράφηση του Perseverance μας αποκάλυψε το βουητό του αρειανού ανέμου και οι επόμενες ηχογραφήσεις συνέλαβαν τον ήχο από τους κραδασμούς των τροχών του οχήματος καθώς αυτό κινούνταν.

Η κάμερα (SuperCam) που διαθέτει το διαστημικό όχημα καταγράφει τόσο το φως όσο και τον ήχο που προκαλεί το λέιζερ σε κάποιο βράχο, όταν διερευνάται η γεωλογία της επιφάνειας του Άρη. Το μικρόφωνο απέχει 2,1 μέτρα πάνω από έδαφος του πλανήτη. Οι επιστήμονες είναι σε θέση να προσδιορίσουν την ταχύτητα του ήχου χρησιμοποιώντας τη χρονική διαφορά από την στιγμή που το λέιζερ χτυπά τον βράχο μέχρι ο ήχος που προκαλεί να φτάσει στο μικρόφωνο.

Άσκηση: Η ταχύτητα του ήχου σε ένα αέριο υπολογίζεται από την εξίσωση:
v=\sqrt{\frac{\gamma \, R \,T}{M}} ,
όπου R=8,315 J.m-1K-1 η σταθερα των αερίων, T η θερμοκρασία, Μ η μάζα ενός γραμμομορίου του αερίου και \gamma=\frac{C_{P}}{C_{V}} είναι ο λόγος των γραμμομοριακών ειδικών θερμοτήτων. Για τον αέρα στη Γη ισχύει Μ=0,029 kg/mol και γ=(f+2)/f=1,4 (τα διατομικά μόρια όπως το άζωτο και το οξυγόνο της ατμόσφαιρας διαθέτουν f=5 βαθμούς ελευθερίας). Όταν η θερμοκρασία του αέρα είναι π.χ.15 οC (T=288K), τότε η ταχύτητα διάδοσης του ήχου που προκύπτει από την παραπάνω εξίσωση είναι 340 m/s.
Ποιά είναι η ταχύτητα διάδοσης του ήχου στην ατμόσφαιρα του Άρη σε θερμοκρασία -30 οC, δεδομένου ότι συνίσταται κυρίως από CO2.Θεωρείστε δύο περιπτώσεις: (i) f=5 (ii) f=7.

Από την ανάλυση των δεδομένων που συνέλεξε το Perseverance προέκυψε ότι ταχύτητα του ήχου στον Άρη είναι περίπου 240 m/s, πολύ μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη ταχύτητα των 340 m/s στη Γη.

Ενώ η ταχύτητα του ήχου στην ατμόσφαιρα της Γης είναι ίδια (ή σχεδόν ίδια) σε όλο το εύρος των συχνοτήτων που μπορεί να ακούσει το ανθρώπινο αυτί (20 Hz – 20 kHz), η ταχύτητα του ήχου στον Άρη, στα 400 Hz περίπου, αυξάνεται ξαφνικά κατά 10 m/s! Αυτό προβλέπεται από την θεωρία και οφείλεται στους βαθμούς ελευθερίας του μορίου CΟ2 που πρέπει να ληφθούν υπόψιν στον υπολογισμό της ταχύτητας του ήχου.

Το άλμα στα 400 Hz θα δυσκόλευε τους ανθρώπους στον Άρη να συνομιλούν ή να ακούν μουσική από ηχείο. Οι ήχοι θα παραμορφώνονταν επειδή οι υψηλές συχνότητες θα έφταναν στα αυτιά τους πριν από τις χαμηλές συχνότητες. Η σύσταση της ατμόσφαιρας του Άρη από διοξείδιο του άνθρακα, προκαλεί άλλη μια άλλη ιδιορρυθμία: οι υψηλές συχνότητες εξασθενούν πιο έντονα από τις χαμηλές συχνότητες. Έτσι το να προσπαθείς να μιλήσεις σε κάποιον λίγα μέτρα πιο μακριά θα ακουγόταν σαν να μιλάς μέσα από έναν τοίχο. Θα ακούγονται κυρίως οι μπάσες συχνότητες.

Εκτός από τη μελέτη των ηχητικών ιδιοτήτων, οι ηχογραφήσεις χρησιμοποιήθηκαν και για την διερεύνηση της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας του Άρη. Έτσι προέκυψε ότι η θερμοκρασία του Άρη υφίσταται σημαντικές διακυμάνσεις έως και 10 K/s! Το διαστημικό όχημα διαθέτει κι άλλο όργανο μέτρησης θερμοκρασίας, που ονομάζεται MEDA, το οποίο ανιχνεύει επίσης διακυμάνσεις αλλά για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα.

Οι Chide et al σχεδιάζουν μετρήσεις κατά τη διάρκεια ενός πλήρους Αρειανού έτους για να διαπιστώσουν τις μεταβολές της ταχύτητας του ήχου κατά τους χειμερινούς μήνες ή κατά την περίοδο μια θύελλας από σκόνη. Με την παραπάνω έρευνα αποδείχθηκε ότι μπορεί κανείς να πραγματοποιήσει μελέτη της ατμόσφαιρας χρησιμοποιώντας ακουστική. Γι αυτό και οι επόμενες αποστολές στον Άρη, την Αφροδίτη και τον Τιτάνα θα περιλαμβάνουν μικρόφωνα, αναδεικνύοντάς τα ως το νέο είδος οργάνων πλανητικής έρευνας.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v15/43



Κατηγορίες:ΔΙΑΣΤΗΜΑ

Ετικέτες: , , , ,

1 reply

  1. Η διαφορά ταχύτητας του ήχου στον ‘Αρη από αυτή της Γης δεν είναι κολοσιαία και νομίζω θα αναμένετο να βρίσκεται σε περίπου γραμμική σχέση με την πυκνότητα της ατμόσφαιρας. Το 340μ/s δεν είναι και πάρα πολύ μεγαλύτερο νούμερο από το 240μ/s.
    Υποθέτω ότι ο Elon Musk θα βρει τρόπο να στείλει και Hi-Fi συστήματα στον ‘Αρη, με compensation για τη ταχύτητα των <400 Ηz ! 🙂

Γράψτε απάντηση στο Βασίλης Ακύρωση απάντησης

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: