Рефракция, обусловленная градиентом температуры. Если скорость звука в неоднородной среде непрерывно меняется от точки к точке, то рефракция также меняется. Поскольку скорость звука и в воздухе, и в воде зависит от температуры, при наличии градиента температуры звуковые волны могут изменять направление своего движения. В атмосфере и океане из-за горизонтальной стратификации обычно наблюдаются вертикальные градиенты температуры. Поэтому вследствие изменений скорости звука по вертикали, обусловленных температурными градиентами, звуковая волна может отклоняться либо вверх, либо вниз.
Рассмотрим случай, когда в каком-то месте вблизи поверхности Земли воздух теплее, чем в более высоких слоях. Тогда с увеличением высоты температура воздуха здесь понижается, а вместе с ней уменьшается и скорость звука. Звук, излучаемый источником вблизи поверхности Земли, вследствие рефракции будет уходить вверх. Это показано на рис. 1, где изображены звуковые «лучи».

Отклонение лучей звука, показанное на рис. 1, в общей форме описывается законом Снеллиуса. Если через q, обозначить угол между вертикалью и направлением излучения, то обобщенный закон Снеллиуса имеет вид равенства

относящегося к любой точке луча. Таким образом, если луч переходит в область, где скорость v уменьшается, то угол q тоже должен уменьшаться. Поэтому звуковые лучи всегда отклоняются в направлении уменьшения скорости звука.
Из рис. 1 видно, что существует область, расположенная на некотором удалении от источника, куда звуковые лучи вообще не проникают. Это так называемая зона молчания.
Вполне возможно, что где-то на высоте, большей, чем показано на рис. 1, из-за градиента температуры скорость звука увеличивается с высотой. В таком случае первоначально отклонившаяся вверх звуковая волна здесь отклонится к поверхности Земли на большом удалении. Так бывает, когда в атмосфере образуется слой температурной инверсии, в результате чего оказывается возможным прием сверхдальних звуковых сигналов. При этом качество приема в удаленных точках бывает даже лучше, чем вблизи. В истории было много примеров сверхдальнего приема. Например, во время Первой мировой войны, когда атмосферные условия благоприятствовали соответствующей рефракции звука, канонаду на французском фронте можно было слышать в Англии.

Зона молчания в акустике (зона акустической тени) – область, в которой звук удалённых мощных источников (орудийная стрельба, взрыв и т.д.) не слышен, в то время как на больших расстояниях он снова появляется («зона аномальной слышимости»). Зоны молчания обычно имеют на земной поверхности форму неправильного кольца, окружающего источник звука. Иногда наблюдается две и даже три зоны молчания, разделённые зонами аномальной слышимости. Внутренний радиус 1-й зоны молчания обычно равен 20–80 км, иногда он достигает 150 км; внешний радиус может достигать 15–400 км.
Причиной образования является рефракция звука в атмосфере: т к. температура в нижних слоях атмосферы убывает с высотой (до минус 50-75°С на высоте 15-20 км), звуковые лучи отклоняются вверх, уходя от поверхности Земли. На высоте 40-60 км температура снова повышается (до 0-30°С), лучи загибаются книзу и, огибая сверху зону молчания., возвращаются на земную поверхность, образуя зону аномальной слышимости, 2-я и 3-я зоны аномальной слышимости возникают вследствие 1- и 2-кратного отражения звуковых лучей от земной поверхности. Ветер изменяет форму звуковых лучей, что может привести к значительному искажению кольцеобразной формы зоны молчания и даже разомкнуть кольцо. Исследование аномального распространения звука является одним из методов определения температур в средней атмосфере. Аналогичное явление наблюдается часто и при распространении звука (ультразвука) в океане.

 

Уже давно известно, что во время сильных взрывов, кроме основной зоны слышимости, непосредственно окружающей точку взрыва, существует еще вторичная зона аномальной слышимости, отделенная от основной зоны довольно широкой зоной молчания (ширина зоны молчания несколько десятков километров, а иногда и более 100 км). Для объяснения зоны аномальной слышимости приходится допускать, что звуковые волны, уходя вверх, по каким-то причинам искривляют свою траекторию в такой степени, что часть из них снова возвращается к земной поверхности на некотором расстоянии от исходной точки. Теоретический анализ возможных траекторий звукового луча показывает, что часто траектории в верхней своей части заходят довольно высоко в стратосферу – до 50 км. Так как скорость распространения звуковых волн зависит от температуры, то оказывается возможным на основании чисто акустических наблюдений в зоне аномальной слишимости заключать о температуре стратосферы вплоть до высоты в 50 км.
Гипотеза повышения температуры в верхних слоях атмосферы согласуется и с обшими выводами теории лучевого равновесия,.
Однако последние 3 года (1934—1937 гг.) принесли нам существенное изменение взглядов на распределение озона с высотой. Довольно неожиданным для всех оказалось получение данных, безусловно доказывавших, что слой озона лежит в действительности на 20 км ниже, чем предполагалось прежде. Что касается самого вопроса об атмосферном озоне, то ему будет специально посвящена следующая глава. Но сейчас нас специально интересуют те изменения, которые должны произойти из-за этого во взглядах на температурное истолкование акустических опытов.
Озон имеет максимум концентрации на высоте около 25 км, т. е. ниже того места, где начинается предполагаемая температурная инверсия. На высоте 50 км, где должно продолжаться повышение температуры, концентрация озона уже очень мала. Это ставит под сомнение гипотезу об озонном происхождении высокой температуры. В этой связи заслуживают особого внимания опыты, поставленные во время 2-го международного полярного года в Америке в 1932—1933 г.
Если температурная инверсия в верхних слоях создается благодаря поглощению солнечных лучей, то во время полярной ночи этой инверсии не должно быть. В этом случае не должно было бы наблюдаться и аномальных зон слышимости. Однако специальная экспедиция, проводившая наблюдения в четырех различных пунктах Арктики, обнаружила, что зона аномальной слышимости существует и во время полярной ночи. Новейшие данные теоретического рассмотрения проблемы озона позволяют дать совсем иную трактовку происхождения зон аномальной слышимости. За самое последнее время появились теории, трактующие вопрос об образовании озонного слоя и приходящие к выводу, что выше озонного слоя кислород должен находиться в состоянии полной диссоциации. С этой точки зрения озонный слой как бы делит кислородную атмосферу на две части: на атомную (верхние слои) и молекулярную (нижние слои).
 

Рефракция звука, искривление звуковых лучей в неоднородной среде (атмосфера, океан), скорость звука в которой зависит от координат. Звуковые лучи поворачивают всегда к слою с меньшей скоростью звука, и Рефракция (звука) выражена тем сильнее, чем больше градиент скорости звука.

Рефракция (звука) звука в атмосфере обусловлена пространственными изменениями температуры воздуха, скорости и направления ветра. С высотой температура обычно понижается (до высот 15—20 км) и скорость звука уменьшается, поэтому лучи от источника звука, находящегося вблизи земной поверхности, загибаются кверху и звук, начиная с некоторого расстояния, перестаёт быть слышен (рис. 1, а). Если же температура воздуха с высотой увеличивается (температурная инверсия, часто возникающая ночью), то лучи загибаются книзу и звук распространяется на большие расстояния (рис. 1, б). При распространении звука против ветра лучи загибаются кверху, а при распространении по ветру — к земной поверхности, что существенно улучшает слышимость звука во втором случае. Рефракция (звука) звука в верхних слоях атмосферы может привести к образованию зон молчания и зон аномальной слышимости.