Huki i trzęsące się okna - co stało się na naszym terenie?

Do redakcji dzwoniło wielu zaniepokojonych mieszkańców, pytając o źródło hałasu. Sprawdziliśmy informacje w służbach ratunkowych.  Nie odnotowały one żadnych zdarzeń związanych z tym porannym hałasem.

Najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem jest przelot samolotów odrzutowych. W takich przypadkach, gdy maszyny przekraczają barierę dźwięku, dochodzi do powstania głośnego huku. Przy odpowiednich warunkach atmosferycznych fala uderzeniowa może być szczególnie odczuwalna na ziemi.

Uspokajamy, że nic groźnego nie wydarzyło się w naszym regionie. Huk, choć gwałtowny i niepokojący dla mieszkańców, nie miał związku z żadnym zagrożeniem.

Czym jest fala uderzeniowa przy locie naddźwiękowym

Gdy samolot porusza się wolniej niż prędkość dźwięku, zaburzenia ciśnienia wytwarzane przez kadłub i skrzydła są rozchodzą się przed nim i na boki. Kiedy prędkość maszyny przekracza prędkość dźwięku, powstaje stożek fal uderzeniowych zwany stożkiem Macha. Nie jest to pojedynczy wybuch, lecz nagłe sprasowanie powietrza wzdłuż powierzchni stożka. Kiedy krawędź tego stożka dotrze do obserwatora na ziemi, słyszalny jest krótki, gwałtowny impuls akustyczny nazywany hukiem dźwiękowym.

W zapisie czasowym fala ta często ma kształt litery N. Najpierw następuje szybki wzrost ciśnienia, potem jego powolniejszy spadek, a na końcu ponowny gwałtowny skok. Ten przebieg odpowiada odczuwalnemu hukowi i drganiu szyb.

Kiedy powstaje i jak długo trwa

Huk nie powstaje wyłącznie w chwili przekroczenia bariery dźwięku. Tworzy się przez cały czas, gdy samolot leci z prędkością naddźwiękową. Na ziemi daje to wąski pas pod trasą przelotu zwany dywanem huku. Każdy punkt na tym obszarze doświadczy krótkiego impulsu w momencie, gdy przejdzie przezeń linia stożka Macha. Dlatego mieszkańcy słyszą zwykle jeden lub kilka krótkich huków, mimo że maszyna leci naddźwiękowo przez dłuższą chwilę.

Prędkość dźwięku zależy od temperatury powietrza. W pobliżu poziomu morza przy około 20 stopniach Celsjusza wynosi około 343 metry na sekundę. Na większych wysokościach, gdzie jest chłodniej, prędkość dźwięku jest niższa. Pilot przekracza barierę dźwięku, gdy prędkość samolotu przekracza prędkość dźwięku w aktualnych warunkach, co opisuje bezwymiarowa liczba Macha.

Dlaczego na ziemi bywa tak głośno

Głośność wynika z nagłej zmiany ciśnienia, czyli nadciśnienia fali uderzeniowej. Typowe nadciśnienia rejestrowane na ziemi podczas przelotu naddźwiękowego mieszczą się najczęściej w zakresie ułamków funta na cal kwadratowy, często na poziomie dziesiątych części wartości 1 psf. Przeliczając na jednostki SI to dziesiątki paskali. Odbierany poziom dźwięku bywa w granicach około 100 do 110 decybeli w ujęciu krótkotrwałego impulsu. Wrażenie głośności potęguje bardzo krótki czas narastania impulsu. Nawet jeśli energia akustyczna jest ograniczona, szybkie zmiany ciśnienia silnie poruszają lekkie elementy, na przykład szyby lub cienkie panele.

Na głośność wpływają głównie wysokość lotu, prędkość, masa i kształt samolotu. Im niżej i im większy statek, tym większe nadciśnienie dociera do ziemi. Przy większych prędkościach naddźwiękowych stożek Macha jest węższy, a gradient ciśnienia ostrzejszy, co także zwiększa odczuwalność impulsu.

Dlaczego słychać kilka huków zamiast jednego

Często rejestrowane są dwa krótkie huki. Wynika to z geometrii samolotu. Główne skoki ciśnienia tworzą się przy dziobie i przy ogonie. Odstęp czasowy między nimi zależy od długości statku i odległości do obserwatora. Dodatkowe odbicia od warstw atmosfery czy od podłoża mogą wytwarzać słabsze powtórzenia. Kilka wyraźnych huków może też oznaczać, że w locie brały udział dwie lub więcej maszyn. Gdy formacja przecina dany obszar, mieszkańcy słyszą sekwencję impulsów.

Jak pogoda kształtuje zasięg i głośność

Atmosfera nie jest jednorodna. Zmiany temperatury i wiatru z wysokością powodują ugięcie i ogniskowanie fal. Najważniejsze mechanizmy to

• Odwrotność prędkości dźwięku względem temperatury. W warstwach cieplejszych dźwięk rozchodzi się szybciej niż w chłodnych. Gradient temperatury może zakrzywiać front fali ku ziemi albo od ziemi, co w praktyce wzmacnia albo osłabia huk.
• Inwersje temperatury. Warstwa cieplejszego powietrza nad chłodniejszym może działać jak zwierciadło, które zawraca falę ku ziemi. Wtedy w wybranych miejscach powstają strefy podbitego ciśnienia zwane ogniskami. Tam huk bywa szczególnie donośny.
• Wiatr z wysokością. Silny wiatr na różnych poziomach troposfery zmienia efektywną prędkość rozchodzenia się dźwięku względem ziemi. Może to przesuwać dywan huku i skupiać go na fragmentach terenu.
• Turbulencja i wilgotność. Silna turbulencja zwykle rozprasza energię fali i lekko łagodzi impuls. Zawartość pary wodnej zmienia tłumienie wysokich częstotliwości, co nieco modyfikuje odczuwalność.

Z tych powodów bywa tak, że huk od przelotu naddźwiękowego słyszą mieszkańcy wielu powiatów, a w niektórych rejonach jest on zdecydowanie silniejszy i powoduje drżenie szyb, mimo że samolot leci na dużej wysokości.

Co decyduje o obszarze, w którym słychać huk

Dywan huku ma kształt wąskiego pasa położonego pod trasą lotu. Jego szerokość i pozycja zależą od kąta stożka Macha, a więc od prędkości i warunków atmosferycznych. Na głośność wpływa wysokość. Loty naddźwiękowe prowadzone wyżej powodują słabszy impuls na ziemi, bo fala rozprzestrzenia się na większą powierzchnię, a atmosfera tłumi składniki wysokoczęstotliwościowe. Gwałtowne manewry w locie naddźwiękowym mogą skupić energię fali i miejscowo zwiększyć nadciśnienie.

Czy huk jest niebezpieczny dla ludzi i mienia

Typowe wartości nadciśnienia nie stanowią zagrożenia dla zdrowia. Mogą jednak powodować dokuczliwy hałas i drżenie elementów budynków. Uszkodzenia szyb występują zwykle przy nadciśnieniach wyraźnie wyższych niż przeciętne rejestrowane podczas standardowych przelotów na dużej wysokości. Wrażliwe są szczególnie szyby stare, nadmiernie naprężone lub spękane. Dlatego w raportach instytucji lotniczych zdarzają się opisy pojedynczych pęknięć szyb w strefach ognisk fali, ale są to przypadki marginalne w skali zjawiska.

Dlaczego czasem słychać huk daleko od trasy samolotu?

Za sprawą refrakcji w atmosferze fala może być prowadzona na duże odległości i skupiana w odległych od trasy punktach. Dodatkowo ukształtowanie terenu i odbicia od warstw inwersyjnych mogą znacząco przemieścić footprint huku. Dlatego mieszkańcy odległych miejscowości słyszą jednocześnie ten sam impuls. W relacjach terenowych często powtarza się informacja o kilku głośnych stukach w odstępach sekundowych. Zwykle odpowiada to przelotowi jednej maszyny generującej dwubiegunowy sygnał N oraz odbiciom i rozszczepieniu frontu na nierównych warstwach atmosfery.