Почему в космосе нет звука и как распространяются звуковые волны

Звук — это механическая волна, которая распространяется в какой-либо среде: газе, жидкости или твёрдом теле. Например, когда ты говоришь, звук от голоса идёт к собеседнику через воздух.

Как это происходит? Источник звука вибрирует и заставляет колебаться частицы вокруг себя. В воздухе они то сближаются, то расходятся — возникают области сжатия и разрежения. Эти колебания передаются дальше от одних частиц к другим, и вместе с волной переносится энергия.

При этом частицы воздуха не летят от источника звука к слушателю. Они только двигаются туда-сюда около своего обычного положения — примерно как поплавок качается на воде, когда мимо проходит волна.

Если такой среды нет, передавать их нечему. Поэтому в идеальном вакууме обычная звуковая волна распространяться не может.

Почему один звук кажется высоким, а другой низким? Почему шёпот едва слышен, а работающий рядом строительный инструмент заглушает всё вокруг? Это можно объяснить с помощью нескольких характеристик звуковой волны.

• Частота показывает, сколько колебаний происходит за одну секунду, и измеряется в герцах (Гц). Чем выше частота, тем выше мы обычно воспринимаем звук по тону. Типичный диапазон человеческого слуха — примерно от 20 до 20 000 Гц. Всё, что ниже слышимого диапазона, относят к инфразвуку, а всё, что выше, — к ультразвуку. При этом точные границы слуха у разных людей могут различаться.
• Амплитуда показывает величину колебаний. Представь звуковую волну на графике: чем больше её «размах», тем больше амплитуда. При прочих равных с её увеличением растёт интенсивность волны, и звук обычно кажется громче. Причём интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды давления.
• Уровень звука выражают в децибелах. Здесь разница уже хорошо заметна в обычной жизни: шёпот — это примерно 30 дБА, а мощные ударные строительные инструменты могут создавать уровень около 100 дБА и выше. Точное значение зависит от инструмента, расстояния и условий измерения.

Но физические характеристики волны — ещё не всё. Громкость зависит от интенсивности и частоты звука, а также от особенностей слуха. Поэтому то, насколько громким кажется звук, связано и с самой волной, и с тем, как её воспринимает человек.

Если крикнуть на берегу, нырнуть под воду или постучать по металлической трубе, звук каждый раз будет распространяться по-разному. Причина в самой среде: скорость звука зависит от сочетания её плотности и упругости.

Воздух

Звук кажется мгновенным, но на самом деле ему нужно время, чтобы добраться от источника до слушателя. При температуре около 20 °C он проходит примерно 343 метра за секунду — это около 1235 км/ч.

Для обычных температур работает простая приблизительная формула:

v ≈ 331 + 0,6T,

где v — скорость звука в метрах в секунду, а T — температура в градусах Цельсия.

Разберём на примере. При 0 °C получаем примерно 331 м/с. Если температура поднимается до 20 °C, прибавляем ещё 12 м/с — и получаем те самые 343 м/с. То есть каждый дополнительный градус увеличивает скорость примерно на 0,6 м/с.

Эта формула удобна для обычных температур, но она приблизительная. Более точно зависимость описывают через абсолютную температуру: для идеального газа скорость звука растёт примерно как квадратный корень из неё.

На скорость звука влияют не только температура, но и состав воздуха. Влажность тоже немного меняет скорость, поскольку с ней меняется состав газовой смеси.

Вода и твёрдые тела

Если в воздухе при 20 °C звук проходит за секунду около 343 метров, то в воде за то же время — примерно 1,5 километра. Скорость составляет около 1480 м/с в пресной воде и 1540 м/с в морской. То есть звук распространяется в воде более чем в четыре раза быстрее, чем в воздухе.

Почему так происходит? Вода гораздо плотнее воздуха, но при этом её намного труднее сжать. Благодаря такому сочетанию свойств механические колебания передаются в воде быстрее.

А в твёрдых телах скорость может быть ещё выше. Например, в стали звук распространяется со скоростью около 5960 м/с. С этим связан известный способ заметить приближение поезда по железнодорожному рельсу: вибрации идут по стали значительно быстрее, чем звук по воздуху. При подходящих условиях колебания рельса можно обнаружить раньше, чем шум приближающегося поезда.

В океане скорость звука меняется ещё и в зависимости от условий. На неё влияют температура, солёность и давление, которое растёт с глубиной. Поэтому на разных глубинах звук движется с разной скоростью, а звуковые волны преломляются и меняют траекторию.

Звуковая волна дошла до уха — но как из обычных колебаний получается голос, музыка или шум? Для этого сигнал проходит несколько этапов: ухо превращает механические колебания в сигнал, который может обработать мозг.

Происходит это так:

1. Звуковая волна попадает в наружное ухо и заставляет вибрировать барабанную перепонку.
2. Барабанная перепонка передаёт колебания трём крошечным косточкам среднего уха — молоточку, наковальне и стремечку.
3. Колебания переходят во внутреннее ухо, где приводят в движение жидкость в улитке.
4. Движение жидкости воздействует на волосковые клетки. Они преобразуют механическое воздействие в электрохимический сигнал, который по слуховому нерву поступает в мозг.
5. Мозг обрабатывает полученный сигнал — и человек воспринимает речь, музыку или шум.

Получается целая цепочка превращений: звуковая волна заставляет двигаться части уха, а затем механические колебания превращаются в сигнал для мозга.

Теперь вернёмся к космосу. Большая часть пространства между планетами и звёздами — это вакуум, то есть пространство с очень низкой концентрацией вещества. Полностью пустым его считать нельзя: там встречаются отдельные частицы, разреженный газ и плазма. Но по сравнению с земной атмосферой вещества очень мало.

Поэтому со звуком возникает проблема. Например, при взрыве космического корабля колебания могут распространяться внутри его конструкции или в выброшенном газе. Но дальше им практически не через что передаваться. Через окружающий вакуум обычный звук до удалённого наблюдателя не дойдёт.

У нашего спутника есть только чрезвычайно разреженная экзосфера — тонкая газовая оболочка, совсем не похожая на земную атмосферу. Молекул в ней примерно в квадриллион раз меньше, чем в таком же объёме земной атмосферы. Они находятся так далеко друг от друга, что могут пролетать большие расстояния, почти не сталкиваясь. Для передачи обычной речи такой среды недостаточно.

Но отсутствие плотной атмосферы не означает, что на Луне вообще не бывает механических волн.

Это подтвердили сейсмометры, которые доставили на Луну участники программы Apollo: приборы регистрировали лунотрясения и удары метеороидов, а по распространению сейсмических волн учёные изучали внутреннее строение Луны.

В отличие от Луны, на Марсе есть атмосфера. Правда, у поверхности она примерно в сто раз менее плотная, чем земная, — но этого достаточно, чтобы звуковые волны могли распространяться.

Кроме того, в марсианской атмосфере звук сильнее затухает, особенно на высоких частотах.

И это не только расчёты. В 2021 году марсоход Perseverance получил первые аудиозаписи с поверхности Марса. На них можно было услышать марсианский ветер и механические шумы самого аппарата.

Снаружи скафандра — вакуум, а внутри условия совсем другие. Герметичная оболочка удерживает газовую дыхательную среду под давлением, поэтому звук внутри скафандра может распространяться. Астронавт слышит собственный голос и работу оборудования.

Правда, давление внутри скафандра может быть заметно ниже привычного земного. Например, американский скафандр EMU работает при давлении около 4,3 psi, а атмосферное давление у поверхности Земли — около 14,7 psi.

Но поговорить через вакуум с другим астронавтом всё равно не получится. Для этого используют радиосвязь.

Поэтому радиосигнал может пройти через космический вакуум, а обычный голос — нет.

Если в открытом космосе не слышно грохота взрывов и рёва двигателей, зачем их добавляют в кино?

Оно может придать космическому кораблю ощущение мощи, сделать погоню напряжённее, а выстрел — опаснее. Зрителю при этом не обязательно разбираться, как создан тот или иной эффект: знакомые шумы сами вызывают нужные ассоциации.

Так устроен, например, звуковой мир «Звёздных войн». Саунд-дизайнер Бен Бёртт создавал фантастические эффекты на основе реальных записей — самолётов, двигателей, животных, ветра и других источников. Их обрабатывали, замедляли и смешивали. По словам Бёртта, знакомые шумы вызывают ассоциации с мощью и опасностью, поэтому происходящее на экране кажется убедительнее.

Если в космическом вакууме обычный звук не распространяется, откуда тогда берутся записи NASA со «звуками космоса»? Секрета здесь нет: учёные преобразуют данные космических аппаратов в сигналы, которые можно услышать.

Хороший пример — Voyager 1. На нём установлен прибор Plasma Wave Subsystem, который измеряет электрические колебания плазмы — ионизированного газа в межзвёздной среде. Эти данные помогают, в частности, определять электронную плотность плазмы.

Некоторые колебания, зарегистрированные Voyager 1, имеют частоты в диапазоне человеческого слуха. Поэтому электрический сигнал можно усилить и воспроизвести через динамик. Получится звук, который мы можем услышать, хотя это не акустическая волна, долетевшая через космос до микрофона.

Учёные берут информацию, которая сама по себе звуком не является, и переводят её в аудиоформат. Например, яркость или положение космических объектов можно связать с высотой или громкостью звука. В результате данные становятся доступными для слуха.

Voyager 1 занимается исследованиями уже почти полвека. Аппарат запустили 5 сентября 1977 года, а в августе 2012 года он вошёл в межзвёздное пространство. К августу 2026 года его полёт длится почти 49 лет, из них около 14 лет — в межзвёздной среде. Plasma Wave Subsystem продолжает собирать данные о плазменных волнах.

Звук подчиняется одним и тем же физическим законам и на Земле, и за её пределами. То, как быстро и насколько хорошо он распространяется, зависит от среды и её свойств. Поэтому вода, воздух, поверхность Марса и космический вакуум «звучат» совершенно по-разному.

А записи «звуков космоса» показывают ещё одну интересную возможность: даже процессы, которые нельзя услышать напрямую, можно исследовать с помощью приборов, а полученные данные — преобразовать в звук.