FÜÜSIK SELGITAB ⟩ Miks kostab vee ääres räägitud jutt kaugele?

Jahedas õhukihis peegelsileda järvepinna kohal levib heli, nagu valgus levib optilises kius. Foto: Marek Strandberg Dall-E tehisaru abil

Tehke suvel katse: kui kaugele kostab teie sosinal öeldud saladus? Kui istute koos kallimaga kaunil suveõhtul mere või järve ääres, võite kuulda korraga hääli või juttu, mis kostaks justkui lähedalt. Te vaatate ringi, aga kedagi ei näe. Mis füüsikaline nähtus selle taga on?

Tõesti võib vaiksetel suveõhtutel tekkida selline olukord, et kuuleme väga kaugelt tulevaid hääli. Eriti kui tuult ei ole ja on soe vaikne õhtu.

Tavaliselt levib heli ehk see jutt, mida me räägime, igas suunas – üles, vasakule ja paremale ning seetõttu hajub võrdlemisi kiiresti ära, pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Nimetatud pöördvõrdelisus tuleneb sellest, et kui kõikidesse suundadesse leviv helilaine, mis kannab mingit energiat, jõuab teatud kaugusele, siis jaguneb heli energia ära ühtlaselt üle terve lainefrondi – sellise mõttelise kera pinna (poolkera, kui maapind takistab alla levimist), mille keskpunktiks on heli allikas. Kera pindala on aga võrdeline raadiusega, st kaugusega heli allikast. Normaalse kõne valjus ühe meetri kaugusel on 60 detsibelli (dB); kilomeetri kaugusel on see tuhat ruudus, st miljon korda nõrgem. Detsibell kujutab endast nn logaritmilist skaalat: 10 dB võrra tugevam heli kannab endas 10 korda rohkem energiat. Seega miljon korda nõrgema heli valjus on 60 dB võrra väiksem: 60-60=0 dB. Null detsibelli kujutab endast kuulmisläve – kui valitseks haudvaikus ja poleks ei tuule kohinat ega lehtede sahinat, siis võiks põhimõtteliselt kuulda kilomeetri kauguselt vaevukuuldavat jutumõminat, aga sõnad poleks kindlasti arusaadavad.

Teine lugu on siis, kui istute suvisel vaiksel õhtul mere või järve ääres. Päeval on päike õhu soojaks kütnud, aga vett veel mitte väga – vee soojusmahtuvus on suur ja see soojeneb aeglaselt. Külmem vesi jahutab ka sellega kontaktis olevat õhku, seetõttu on veepinna kohal olev õhukiht jahedam, kui kõrgemal olev õhk. Et külm õhk on tihedam, siis see üles ei kerki ning vee kohale moodustub stabiilne õhuke külmema õhu kiht.

On üldteada fakt, et heli levib kolme sekundiga umbes ühe kilomeetri: selleks et teha kindlaks välgulöögi kaugus kilomeetrites, lugege sekundeid sähvatusest mürina alguseni ja jagage tulemus kolmega. Aga täpsemalt sõltub heli kiirus temperatuurist – gaasides on see võrdeline molekulide soojusliikumise kiirusega ja kasvab seega koos temperatuuriga. Seetõttu levib heli veepinna kohal olevas jahedas õhus aeglasemalt; jaheda õhu kiht toimib heli jaoks kui lainejuht.

Lainejuht, nagu nimigi ütleb, juhib laineid, takistab neil laiali valgumast. Näiteks valguskaablid, mida mööda tuleb internet paljudesse kodudesse, kujutavad endast ka lainejuhti. Valguskaabli keskel on hästi läbipaistev suurema murdumisnäitajaga keskkond. Suurem murdumisnäitaja tähendab väiksemat laine levimise kiirust. Kui laine levib piki kahe keskkonna eraldusjoont, siis jõuavad kiiremas keskkonnas olevad lainefrondi punktid aeglasema keskkonna omadest ette ning selle tulemusel hakkab lainefront pöörduma aeglasema keskkonna suunas. Seetõttu ei pääse laine aeglasemast keskkonnast kuidagi välja – see ongi lainejuhi tööpõhimõte.

Niisiis ei pääse vaiksel suveõhtul järve ääres tekitatud heli vee kohal õhukesest õhukihist välja. Helilaine energia ei jagune enam mitte üle mõttelise poolsfääri pindala, vaid üle mõttelise ringjoone pikkuse. Seetõttu kahaneb helilaine energia aeglasemalt – pöörvõrdeliselt kaugusega. Kilomeetri kaugusel pole heli mitte enam miljon korda nõrgem, vaid üksnes tuhat korda nõrgem. Detsibellidesse teisendatult tähendab see pelgalt 30 dB võrra vaiksemat häält: algsest 60 dBst jääb alles veel 30 dB, mis vastab sosinale ja jutu sisust on võimalik veel kenasti aru saada. Igatahes peate suveõhtul saladuste rääkimisel ettevaatlik olema – te ei oska aimatagi, kui kaugele see võib kosta. Kui järve vastaskaldal on tore kontsert, võite saada tasuta kontserdi, aga samas need, kes seda muusikat ei hinda, peavad pakku minema või muretsema kõrvatropid.