9 мая 2007 г.

Акустика пещер

Пещеры нередко представляют как мир вечного безмолвия. "Мертвая тишина подземелья наложила на души Тома и Бекки свою влажную, липкую лапу", - писал Марк Твен более ста лет назад. В других литературных источниках, напротив, смакуются тайны "поющих гротов", "стонущих пещер", "воющих колодцев". Где же истина?

Под землей можно выделить пять основных источников звука: падение камней, шум воды или воздуха, деятельность животных или человека. Звуки четырех первых групп, как и на поверхности, существуют независимо от нас. Уместно вспомнить спор средневековых схоластов: шумит ли водопад, который некому услышать? Но он теряет смысл, если заменить субъективное восприятие звука объективными физическими характеристиками.

Звук - это изменение давления, которое распространяется в воздухе во все стороны в виде синусоидальной волны, характеризующейся скоростью, длиной, частотой и интенсивностью. Скорость звука зависит от упругих свойств среды и температуры. В воздухе при температуре 18°С она составляет примерно 340, а при 0°С -1550 м/с. Длина звуковой волны - это расстояние между двумя последовательными зонами максимума или минимума давления, а частота - число волн, проходящих через данный участок среды за секунду. Единицей измерения частоты принят герц - 1 цикл колебаний в секунду. Человек воспринимает звуковые волны с частотой от 20 до 20 000 Гц. Ниже располагается область инфра-, а выше - ультразвука. Интенсивность - это энергия, переносимая звуковой волной через единицу площади в единицу времени. Порогом слышимости является интенсивность 10-16 вт/см2. Кроме этих основных характеристик звук различают еще по высоте (основной частоте) и по тембру (набору наложенных друг на друга синусоид). Если в звуке характерные частоты не выделяются, говорят о шуме.

Вооружившись этими необходимыми физическими знаниями, начнем "охоту" за звуком под землей. Падение отдельных камней вызывает короткие, как удар хлыстом, одиночные звуки. А осыпание - нарастающий гул. Движущаяся вода является источником самых разных звуков - от монотонного "кап-кап" и еле слышного журчания ручья до грозного рева водопада, срывающегося во многометровую пропасть. Небольшой ручей с расходом 0,5-2,0 л/с генерирует звук с частотой от 40 до 8000 Гц, причем максимум приходится на область около 2000 Гц. Чем больше воды в ручье, тем более "расплывчатым" становится максимум. Это приводит к изменению тембра звучания, что является одним из свидетельств начинающегося подземного наводнения. В водопадах на возбуждение звуковых колебаний расходуется около 1% мощности. Шум возникает при вспенивании дробящейся воды, когда происходит кавитация,- в ней образуются и захлопываются пузырьки разных размеров. При подъеме воды в карстовых сифонах за счет взаимодействия со сводами, имеющими различную форму, иногда возникают инфразвуковые волны. При частоте около 1,0 герц они накладываются на a-ритм головного мозга и вызывают хорошо знакомые спелеологу чувства дискомфорта, беспричинного страха. И к этому "внутреннему голосу" следует обязательно прислушиваться.

Морские пещеры также полны звуков. Одна из самых известных "звучащих" пещер мира находится на острове Стаффа (Гебридские о-ва). Она имеет протяженность 70 м и высоту у входа 30 м. В тихую погоду волны, набегающие на базальтовые колонны, подпирающие своды, издают мелодичные звуки, а во время прибоя из пещеры доносится громоподобный гул - вода сжимает воздух в дальней части пещеры, и он прорывается наружу. Эти звуки, слышимые на несколько километров, вдохновили композитора Мейербера (1794-1864 гг.) на написание оратории "Фингалова пещера".

Движение воздуха под землей может быть довольно интенсивным. В Красной пещере (Крым) в сужениях зафиксированы местные скорости, достигающие 10 м/с (36 км/час). В пещере Винд (США) в одном из узких ходов иногда бушует настоящий ураган (150 км/час).

Тембр звучания ветровых пещер зависит не только от скорости движения воздуха, но и от характера обдуваемой поверхности. Если она гладкая, то раздается равномерный, то усиливающийся, то ослабевающий гул. Если с основным отверстием связан лабиринт более узких ходов, тональность звука меняется. Возникает "клокотание", которому иногда дают звукоподражательные названия. Например, на склоне вулкана Арагац (Армения) описаны дующие колодцы и трещины, получившие в народе название "гыр-гыр". А. Гумбольдт описал на р. Ориноко "поющие скалы". Стены гротов и трещин здесь покрыты тоненькими листочками слюды, которые поют утром и вечером при смене направления овевающих их воздушных потоков. В Тигровой пещере (Таджикистан) мелодичные звуки издают соляные сталактиты. Тембр звучания определяют их диаметр и длина. Неожиданные звуки возникают близ водопадов. Увлекаемый водой воздух иногда прорывается даже через закрытые сифоны, что сопровождается урчанием и бульканьем.

Самые разнообразные звуки привносит под землю, конечно, человек. Это голоса и сигнальные свистки, стук забивающего крюк молотка и шелест горящего примуса, ритмичный шум легочного автомата акваланга и музыка... На всю жизнь запомнился мне полевой сезон далекого 1963 года. В работе Комплексной карстовой экспедиции принимал участие московский геофизик Ю. Баулин. Метод радиопросвечивания, которым он пользовался, предельно прост: чувствительный радиоприемник с подвижной антенной, геологический компас и блокнот - вот все, что нужно. Настраиваясь на частоту широковещательных радиостанций данного района, по изменениям радиопеленга и интенсивности сигнала можно установить, имеются ли в этих направлениях значительные пустоты. Но за внешней простотой метода кроется много тонкостей,- недаром Юрий день и ночь "колдовал" над своим ПИНПом, наполняя пещеры Караби чуждыми им звуками - бравурными маршами Анкары, томными танго Будапешта, лирическими песнями Киева...

Пещеры, благодаря большим размерам залов и множеству натеков, обладают удивительной акустикой. Это знал еще первобытный человек, магические обряды которого требовали специфического звучания голоса. В 1983 г. французские археологи выяснили, что участки, где расположены пещерные рисунки, также обладают своеобразной звуковой палитрой, напоминающей то дробный топот стада, то рык льва... Это была если не цветомузыка, то своеобразная музыка цвета.

Сиракузский царь Дионисий, живший в I в. до н. э., отличался подозрительностью и жестокостью. Для подслушивания он использовал пещеру, сохранившую до нашего времени название "Дионисиево ухо". Она имеет длину около 25 м и ширину до 75 м. С поверхностью ее связывает извилистый проход, а все происходящие в пещере разговоры фокусируются в одной точке, где была сооружена специальная камера. Так тайное становилось для царя явным.

Древнее греческое предание повествует о красивой молодой нимфе Эхо, обитавшей в лесах и на холмах. Однажды к ним в гости явился сам Зевс. Эхо взяла на себя незавидную роль - отвлекать внимание ревнивой жены громовержца. За это Гера лишила ее речи, сохранив способность повторять лишь окончания слов. Так из легенды родилось слово "эхо", давшее имя интересному физическому явлению.

На полуострове Юкатан (Центральная Америка) есть легендарный колодец жертвоприношений - сеноте Чичен-Итце. В глубоком и широком колодце крики жертв вызывали отражение звука. Многократное эхо выдавалось жрецами за голоса подземных духов, вещающих об урожае или бескормице.

С детства у нас осталась не только в памяти, но и в подсознании, как холодок по спине, фраза бессмертного Марка Твена: "Том крикнул, но в темноте пещеры отдаленное эхо прозвучало так странно, что он больше не пытался кричать..." Так что же такое эхо? Это отражение звука от поверхности, расположенной на значительном расстоянии. Для получения четкого эха от источника звука до отражающей поверхности должно быть от 250 м до 4 км. Только в этом случае через 180 миллисекунд звук возвращается к нам. Если запаздывание снижается до 80 миллисекунд, эхо начинает усиливать концы слов; до 70-40 - создает тембровые искажения, до 30 миллисекунд и менее - отраженный звук воспринимается слитно с прямым, усиливая и обогащая его тембр.

Под землей залы с размерами более 200 м встречаются довольно редко. Зато в пещерах очень много основных (стены, своды) и вторичных (натечные формы) поверхностей. Поэтому отраженные волны перекрываются с исходными, возникает реверберация - послезвучание - продолжительностью 1,0-1,1 с. Именно поэтому во многих пещерах мира размещают концертные залы (Ново-Афонская, Грузия; Аггтелек, Венгрия; Постойна, Словения; Гибралтар, Испания и пр.). В одной из пещер США создан даже "пещерный рояль", в котором молоточки вместо струн ударяют по сталактитам разной длины и толщины.

Источником звука, слышимого человеком, являются также некоторые птицы. В средних широтах это чаще всего голуби или каменные стрижи, гнездящиеся в слабоосвещенных привходовых частях пещер; в низких широтах наибольший интерес представляют обитатели пещер гуахаро (Ю. Америка) и саланган (Ю. Азия). Крики, издаваемые гуахаро, находятся в звуковом диапазоне 1500-7000 герц, а продолжительность их не превышает 0,001 с. Гуахаро питаются плодами пальм, и звуковая локация нужна им только для ориентировки в темноте пещер, где они укрываются днем. Стрижи-саланган обитают в труднодоступных уголках пещер. В отличие от гуахаро это дневные насекомоядные животные. Во время охоты они пользуются зрением, но в пещерах используют эхолокацию, издавая щелчки частотой 4-5000 герц, продолжительностью 0,002-0,006 с.

Наконец, мощным источником звука под землей являются летучие мыши. Их "рабочий диапазон" очень широк и для разных родов и видов меняется в пределах от 10000 до 150000 герц. Человек воспринимает лишь малую часть спектра звуков, испускаемых летучими мышами (10000-20000 герц), да и эта его способность уменьшается с возрастом. Египтяне и ранние эллины даже считали, что старость начинается с момента, когда перестаешь слышать писк летучей мыши.

Большая часть звуков, испускаемых летучими мышами, лежит в ультразвуковом диапазоне. И наше счастье, что диалоги рукокрылых с окружающей средой не воспринимаются ухом человека. Американский ученый Алвин Новик доказал, что громкость импульса, испускаемого складчатогубом, наиболее распространенной летучей мышью Америки, доходит до 145 децибелов; это сравнимо только с уровнем шума стартующего реактивного самолета.

В 80-90 гг. появились сообщения о Гроте скелетов в Хакассии (Россия). У обследовавших его опытных спелеологов начало возникать неясное чувство тревоги, перерастающее в волнение, а затем - в панический страх. Исследования специалистов-медиков Сибирского отделения Академии медицинских наук показали, что в пещере происходит апериодическое нарастание магнитного поля, не связанное с его изменениями на поверхности, но зато хорошо коррелирующееся с ощущением дискомфорта у спелеологов.

Инфразвуковые колебания в пещерах могут генерировать ветер, падающая вода, микросейсмические колебания, землетрясения. Доказано, что в определенных условиях инфразвуковые волны порождают магнитные бури. Довольно давно установлен и эффект "полостных структур", в определенных точках которых возникает сильное электрическое поле. А что такое сложная пещера, состоящая из переплетения ходов, лазов, колодцев, тоннелей, как не полостная структура?!

Талантливый геолог и писатель-фантаст И. Ефремов писал в романе "Туманность Андромеды": "Только в пещерах бывает такая тишина... на страже ее стоит косная материя земной коры". Так прав ли И. Ефремов?

Под землей живет, притаилось, а иногда выплескивается в самых удивительных проявлениях целое море слышимых и не слышимых человеком звуков. И знаем мы о нем пока далеко не все.

Дублянский В.Н.,
научно-популярная книга