Почему песчаные дюны могут гудеть, как огромный музыкальный инструмент
В глубине пустыни иногда возникает звук, которому трудно сразу найти источник. Низкий ровный гул напоминает далёкий самолёт, басовую ноту органа или работу крупного механизма. Он может продолжаться от нескольких секунд до нескольких минут, хотя вокруг нет ни двигателей, ни сооружений, способных вибрировать.
Источник находится под ногами. Однако обычная куча песка остаётся безмолвной, сколько бы её ни пересыпали. Для появления устойчивого тона должны совпасть свойства песчинок, состояние поверхности и характер движения целого слоя. Поэтому тысячи внешне похожих дюн молчат, а немногие превращаются в природные акустические системы.
Гул, о котором писали путешественники
Рассказы о звучащих песках встречаются в описаниях пустынь Азии, Африки и Америки. Необычные шумы упоминали путешественники разных эпох, в том числе Марко Поло и Чарльз Дарвин. Звук сравнивали с барабаном, громом, колоколом и голосами, доносящимися из-под земли. Такое разнообразие объяснимо: разные пески воспроизводят неодинаковые частоты и тембры.
При этом под общим названием «поющий песок» скрываются как минимум два похожих явления. Сухой песок некоторых пляжей коротко пищит или скрипит под ногами. Гудящие дюны звучат иначе: они создают продолжительный низкий тон во время движения большой массы песка. Его основная частота обычно находится примерно в диапазоне 70-105 Гц, поэтому гул не только слышен, но иногда ощущается как слабая вибрация поверхности.
Автор: Marat Rysbekov Источник: commons.wikimedia.org
Устойчивость ноты отличает это явление от обычного шороха осыпи. Миллионы частиц сталкиваются беспорядочно, но вместо широкого шума возникает выраженная частота и несколько более высоких гармоник. Именно эта согласованность превращает осыпающийся склон в подобие инструмента.
Звук запускает песчаная лавина
Ветер участвует в создании дюны, но сам по себе не является непосредственным источником гула. Он переносит песчинки вверх по пологой наветренной стороне и откладывает их возле гребня. Подветренный склон постепенно становится слишком крутым, после чего верхний слой теряет устойчивость и сползает вниз.
Такая песчаная лавина может начаться естественно из-за ветра или обрушения гребня. Иногда её запускает человек, сдвигая песок ногами на крутом склоне. Пока движется лишь несколько частиц, слышен обычный шелест. Для полноценного гула требуется достаточно широкий поток и определённая скорость сдвига: только после преодоления порога отдельные импульсы начинают складываться в общий тон.
Автор: Nikolai Bulykin Источник: commons.wikimedia.org
Работает не вся толща дюны. Основное движение происходит в сравнительно тонком поверхностном слое, который скользит по почти неподвижному основанию. Скорость верхних песчинок выше, чем нижних, поэтому соседние слои непрерывно смещаются друг относительно друга. В физике гранулированных материалов такое движение называют сдвиговым потоком.
Обычный песок для этого не подходит
Первое необходимое условие — сухость. Даже небольшое количество воды образует между песчинками микроскопические жидкие перемычки. Они усиливают сцепление, меняют характер контактов и мешают частицам свободно скользить и перекатываться. После дождя дюна может выглядеть сухой, но оставаться безмолвной, пока влага не уйдёт из поверхностного слоя.
Второе условие связано с размерами частиц. Гудящие пески обычно хорошо отсортированы ветром: в них много песчинок близкого диаметра, часто порядка нескольких десятых миллиметра. Частицы сходного размера движутся в потоке с более близкими скоростями. Если в смеси одновременно присутствует много мелких и крупных фракций, вместо чистой ноты могут возникнуть несколько тонов или менее упорядоченный шум.
Значение имеют также форма и состояние поверхности. Песчинки часто бывают округлыми, сравнительно гладкими и очищенными от мелкой пыли. Однако ни сухость, ни одинаковый размер, ни округлость по отдельности не гарантируют звучания. Искусственная смесь с подходящим диаметром частиц может остаться тихой. Вероятно, важна особая комбинация упругости контактов, шероховатости, формы и способности зерна передавать колебание соседям.
Миллионы песчинок попадают в один ритм
Каждая движущаяся песчинка перекатывается, скользит и ударяется о соседние. Одиночное столкновение создаёт слишком слабое возмущение, чтобы его услышать. Если все удары происходят независимо, их колебания гасят друг друга и превращаются в обычный шум. Гудение начинается, когда движения значительного числа частиц частично синхронизируются.
Автор: James St. John Источник: commons.wikimedia.org
Одна из наиболее обоснованных моделей связывает частоту звука со скоростью сдвига внутри лавины. Иными словами, важен темп, с которым соседние слои песчинок проходят друг мимо друга и вступают в контакт. Возникающие в песке упругие волны воздействуют на следующие столкновения, а те, в свою очередь, усиливают колебания. Формируется обратная связь, заставляющая множество частиц двигаться почти в одном ритме.
Синхронные микроскопические толчки складываются. Движущийся участок поверхности начинает периодически давить на воздух подобно мембране громкоговорителя. Чем больше площадь согласованно движущегося слоя, тем больше воздуха вовлекается в колебание и тем громче становится звук. Вблизи активного склона его уровень может приближаться к 100 дБ.
При этом причина самой синхронизации раскрыта не полностью. Известно, при каких условиях она появляется и как частота связана с движением частиц, но точное взаимодействие между контактами песчинок, упругими волнами и текучим слоем продолжает изучаться.
Дюна становится усилителем
Существует несколько моделей, объясняющих, как слабые колебания превращаются в гул, распространяющийся на большое расстояние. Согласно одной из них, рыхлый сухой песок у поверхности лежит между слоями с другими упругими свойствами. Волны отражаются от этих границ, накладываются друг на друга и усиливаются. Такая структура действует как естественный волновод, а характерная глубина рыхлого слоя влияет на частоту.
Другие эксперименты показали, что звучание можно получить в лаборатории на небольшом наклонном лотке, где нет полноценной дюны и глубокого резонатора. Более того, после разделения песка на фракции отдельные группы зёрен воспроизводили собственные устойчивые частоты. Это означает, что источник тона находится прежде всего в движущемся слое, а не во всём песчаном холме.
Оба результата не обязательно исключают друг друга. Синхронизированная лавина способна породить звук самостоятельно, тогда как строение конкретной дюны может дополнительно усиливать колебания, менять их продолжительность и выбирать наиболее заметную частоту. В таком представлении песчаный поток играет роль возбудителя, а поверхность и внутренние слои — корпуса музыкального инструмента.
Размер песчинок определяет ноту
В опытах с песком из разных пустынь обнаружилась связь между распределением частиц и спектром звука. Марокканский песок, состоявший преимущественно из зёрен диаметром около 160 мкм, давал выраженную одиночную ноту. Песок из Омана содержал несколько заметных фракций примерно от 150 до 300 мкм и мог одновременно создавать несколько частот.
Автор: NASA Источник: commons.wikimedia.org
Когда из смешанного песка выделили частицы размером 200-250 мкм, поток воспроизвёл более чистый тон около 90 Гц. Разные фракции образуют в лавине слои с разным характерным темпом движения, поэтому каждая способна поддерживать собственную частоту. Так один склон может гудеть ровно, а другой — звучать сложнее, хотя внешне их песок почти неразличим.
Высота дюны при этом не задаёт ноту так же прямо, как длина струны. Большой холм нужен прежде всего для образования протяжённого сухого склона и мощной лавины. Основной тон связан с характеристиками песка, скоростью сдвига и, возможно, строением поверхностного слоя. Размер дюны сильнее влияет на продолжительность и мощность звучания, чем на его высоту.
Почему природный инструмент замолкает
Гудящая дюна сохраняет способность звучать, но проявляет её только в подходящий момент. Дождь и повышенная влажность связывают песчинки и рассеивают энергию колебаний. Пыль, примеси и нарушение отсортированного слоя также могут изменить контакты между частицами. После продолжительной сухой погоды ветер снова очищает и сортирует поверхность, а на крутом склоне накапливается рыхлый песок.
Затем достаточно нового обрушения гребня. Верхний слой разгоняется, частицы начинают двигаться с близким темпом, слабые колебания синхронизируются, а поверхность передаёт их воздуху. Дюна не имеет единственной полости или натянутой мембраны, как рукотворный инструмент, но использует тот же общий принцип: множество слабых движений объединяются резонансом и обратной связью в один различимый звук.
Редкость гудящих дюн объясняется требовательностью этой системы. Необходимо одновременно получить сухой и хорошо отсортированный песок, подходящие свойства поверхности зёрен, крутой устойчивый склон и лавину достаточного размера. Когда хотя бы одно условие исчезает, огромный песчаный массив снова становится почти бесшумным.










































