能量10000倍于原子弹的火山爆发,发出的声音究竟有多大

2019-09-22 18:45 来源:澎湃新闻·澎湃号·湃客

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原创: SME SME科技故事
大家应该都知道蒙克那副魔性的《呐喊》吧。我们今天关于“声音”的话题,就从这幅名画开始吧。
蒙克的《呐喊》
人类很容易过度解读艺术和文学作品背后蕴含的意义。于是,“蓝色的窗帘”就成了一个戏谑过度解读的梗。
蒙克的作品大多是表现主义,对于《呐喊》不少艺术家亦认为血橙色的天空和扭曲的线条,是蒙克内心压抑与恐惧的表现。
但是,《呐喊》很可能是一副写实成分很重的作品,灵感来源于一场火山爆发。
1883年印尼喀拉喀托火山大爆发,图源维基百科
撕裂天空,并让画中男子发出尖锐呐喊的,其实是1883年8月27日的印尼喀拉喀托(krakatoa)火山大爆发。
这是近代史上,最大规模的火山爆发之一。 尽管画中男子身处挪威,但这次火山喷发威力实在惊人,并带来了全球连锁的天气异象。
在世界范围内,各处的天空在好几个月内都出现了壮观的橘红色日落景象。而除了蒙克的《呐喊》以外,英国画家威廉·阿斯克罗夫特就一共创作了500多副日落的画作。
威廉·阿斯克罗夫特1883年的画作,他的一系列日落作品成了科学家研究喀拉喀托火山爆发的材料。
除了影响文艺创作,这场火山爆发,还引起了一场致命海啸。高达30米的海浪,把165个沿海村庄被冲毁,共造成36417人死亡。
火山爆发之后,喀拉喀托岛几乎被夷为平地,只剩下南边的三分之一。
第二年,北半球夏季平均气温就直接下降了1.2摄氏度。当时,大量的火山灰混入大气中,过滤掉了大量地球表面的太阳辐射。直到1888年,全球气候才恢复了正常。
虚线部分是1883年8月26日火山爆发前的陆地
而这场惊天地泣鬼神的火山爆发,也发出了人类历史上可观测到的最大的声音。 当时,全球十三分之一的区域,都听到了喀拉喀托岛发出的响声。
如果你在广州跟别人说,自己听到了北京传来的声音,别人一定以为你在做梦。 但据纪录显示,喀拉喀托火山爆发时,5000公里开外的地方都能听到声音。 要知道,从广州到北京的直线距离,不过2000公里。也就是说,这次火山爆发的声音,传了2.5倍的广州到北京的直线距离。
在距离喀拉喀托火山的160公里处,其音量仍然高达到了172分贝。 这已是一种难以想象的巨大声音。绝大多数人这一辈子,都没有体会过。
那在更靠近喀拉喀托火山的地方,声音听起来是怎样的?这个地球上最大的声音,究竟有多大?另外,声音真的能杀死人吗?
说到声音的单位,很多人第一时间想到的就是分贝(decibel,简写为dB)。其中deci-表示十分之一,-bel则是“贝尔”,以美国发明家亚历山大·格雷厄姆·贝尔的名字命名。
亚历山大·格雷厄姆·贝尔,电话的发明者
但分贝,并非是一个直接描述声音强度的物理量,和描述时间的秒、或描述长度的米等不同。因为,人能听到声音,必须涉及到双耳的主观感受。
声音由物体的振动产生,一切发声的物体都在振动。 不过,振动的物体不一定就能发声,因为声音的传递需要介质。我们之所以能听到声音,是因为空气中的空气分子的振动传到了我们双耳。
当声音在空气中传递时,周围气压就会发生改变。所以,用于描述声音大小的物理量应该是声压,单位为帕斯卡(Pa)。
当造成更大压力变化,人耳能感受的声音响亮度则更高,而造成较小的压力变化,人耳能感受的声音响亮度则更弱。
正常人耳,能够听到的最微弱的声音,也即感受到最小的声压变化就叫做“听觉阈值”。 例如,在1个标 准大气静压强 的情 况 下 , 当 声压超过20μP a ,大概是 一只蚊子在3米外飞 ,人类双耳就能感受到 了。
但一米外的一个气球爆炸,其声压却能达到了731Pa,一米外步枪射击声压则达到了7270Pa。从这里,我们也可以看出 声压的变化范围是非常大的 ,自然界中的绝对声压差就达到了1000万倍。
所以,用帕斯卡(Pa)来表达声音或噪音强度是很不方便的。而这也并不符合我们在日常生活中的直观感觉。
为了方便使用,我们便根据人类的生理特性等因素,引入了“分贝”(dB)的概念来表示声压级,也即Sound pressure level(SPL)。
当刚好达到“听觉阈值”时,其声压级就定义为0分贝。 这个0分贝就是一个基准值,再大的声压级,则可以通过以下公式计算, SPL =
其中, p(ref)是参考声压 20μPa ,也即1000Hz时人耳的“听觉阈值”。
因为分贝是对数比例的。这也意味着,110分贝比100分贝要响10倍,120分贝比100分贝要响100倍。
此外,0分贝也并不代表着没有声音,只是我们无法感知罢了。其实,最微弱的声音,也比人类能听到的声音要轻得多。所以,当你看到-20dB的声压级也不必惊慌。其对应着,不过是声压2×10^(-6)Pa而已。
那么最大声的声音呢?从理论上来说,在1个标准大气压下能传播的最大的声压级极限为194dB。
当超过了这个极限,声音就不再只是通过空气传播了,而是将空气往外推开。这便是形成了我们所说的冲击波。
说回印尼的喀拉喀托火山爆发。当时,一艘英国船就在距离喀拉喀托火山的60公里处。在船长的日记中,他提到有一半以上的船员都发生了耳膜破裂。而他当时,还以为世界末日要来临了。另外,在更靠近喀拉喀托火山的地方,声音早已超过了最大声压级194分贝了。
其实,当声音超过130分贝时,人就会产生痛觉了,这也叫做“痛阈”。这时候,人们双耳除了感觉很响以外,双耳还会觉得疼痛。
而当超过150分贝时,人类的耳膜就会破裂,并产生永久损伤。这时,就算你用手指来捂住耳朵都不管用了。另外,大量实验已表明,强噪声场能引起动物的立即死亡。在170分贝下大约6分钟,就能使半数受试小白鼠死亡。
所以,当声音超过194分贝时,我们关心的就不再只是耳膜穿孔那么简单了。
在冲击波下,可直接引起严重的冲击伤。 二战期间,在广岛和长崎遭核袭击的损伤中,除了烧伤和核辐射伤以外,最严重的便是冲击伤。
耳膜和听小骨等是人类能听到声音的关键,但在冲击波下这些零件会损坏,听力直接丧失。所以,也可以说人类能听到最大的声音,就是导致听力彻底失常时的声音。
在船上远处的一座小火山爆发
不过,我们还能通过其他途径感受“声音”的强大。 例如,极严重的冲击伤可同时造成身体的多处严重损伤,包括颅脑脊髓损伤,胸、腹腔破裂,内脏破裂和严重的内出血并造成大血管破裂,软组织挤压伤乃至肢体离散等。 如果抢救不及时,大部分人会当场死亡。
有研究显示,火山爆发出的能量是在日本广岛投下原子释放的能量的10000倍。
但幸好,喀拉喀托是一座无人岛,火山爆发时周围基本没有人。而更多的受害者是因为巨大的海啸而死亡的。与2004年印尼海啸一样,喀拉喀托火山爆发引起的海啸几乎摧毁了周围的一切。当时,一个重达600吨的珊瑚礁还直接被海啸甩上了陆地上。
被送上岸的巨型珊瑚礁,魔幻感十足。
除了人类能听到的声音,喀拉喀托火山爆发还产生了强大的次声波。人耳能听到的频率大概是在20Hz~20000Hz之间,这也叫做可听声。频率高于20000Hz的声波,叫做超声波;而频率低于20Hz的则叫做次声波。
次声波的一个特点就是不容易衰减和不易被吸收,并能绕开大型障碍物。当时,科学家就记录到了喀拉喀托的次声波曾围绕地球三至四圈。
而次声波对人体的伤害,也是不容小觑的。尽管人耳听不到,但某些频率的次声波由于与人体器官的振动频率相近,很容易形成共振,对人体带来损伤。
例如,19Hz是眼球的振动频率。当遇到相同或相近的低频振动时,容易造成眼球变形,视网膜被挤压等。科学家就曾记载过一次诡异的闹鬼事件,有人称在实验室内见过了鬼影。但后来人们才发现,这是因为实验室风扇18.98Hz的共振频率引起的。一关掉风扇,共振消失,这种灵异现象当即消失。
但你也别以为不是遇上火山爆发、核弹爆炸等特殊情况,我们就能安然无恙了。其实噪音,比我们想象中的伤害还要大,特别是长时间处在噪音的环境下。日常请注意把耳机的音量调低,以及少蹦点迪。
1883 eruption of Krakatoa.Wikipedia
Sound pressure.Wikipedia
The Sound So Loud That It Circled the EarthFour Times.nautil
Tim Urban .Everything You Should Know AboutSound.Wait but why.2016.03.09
ERIN MCCARTHY.10 Facts About Krakatoa's 1883 Eruption.Mental Floss.2015.08.27
《人类的灾难: 核武器与核爆炸》.作者: 乔登江,朱焕金
Seth S. Horowitz.Could A Sonic Weapon Make Your Head Explode?.Popular Science.2012.11.20
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关键词 >> 火山爆发,科普,活火山
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