Tunet

Un fulger nor-sol la Piracicaba ( Brazilia )

Tunetul este o undă de presiune cauzată de fulgere care, în funcție de natura fulgerului și de distanța față de observator, se poate manifesta ca o lovitură ascuțită și puternică sau ca o bubuitură scăzută și prelungită.
Fulgerul provoacă o creștere puternică a presiunii și temperaturii, care la rândul său determină expansiunea rapidă a canalului ionizat produs de fulgerul însuși: expansiunea aerului produce în cele din urmă o undă de șoc care se manifestă cu sunetul tunetului. În vecinătatea canalului ionic, acustica poate depăși 180 db (SPL). În unele cazuri, în cazul unor fulgere mari de la sol la sol, poate ajunge până la 210 db (SPL).

Cauzele tunetului

Prima urmă a teoriei asupra cauzelor tunetului este atribuită filosofului grec Aristotel în secolul al III-lea î.Hr .: o speculație primitivă a făcut-o să derive din coliziunea norilor.
Multe alte teorii s-au succedat, inclusiv cea de la mijlocul secolului al XIX-lea, cu care se credea că fulgerul produce un vid .

În secolul al XX-lea s-a stabilit ipoteza că tunetul a fost cauzat de deplasarea enormă a aerului cauzată de fulgere în atmosferă în urma expansiunii bruște termice a plasmei în canalul ionizat. Într-o fracțiune de secundă , aerul este încălzit la aproximativ 28.000 ° C , determinându-l să se extindă în aerul înconjurător mai rece cu o viteză mai mare decât sunetul care călătorește prin aer proaspăt. Rezultatul este o undă de șoc , similară cu cea cauzată de o explozie sau de partea frontală a unui avion supersonic : tocmai unda de șoc generează tunetul, care se poate manifesta ca o lovitură ascuțită și bruscă dacă fulgerul lovește aproape de observator sau ca un zgomot difuz și prelungit datorită efectului Ecoului și a zgomotului dacă lovește în depărtare.

Mai recent, această ipoteză a fost pusă la îndoială datorită faptului că presiunea creată în fulgerele simulate este mai mare decât cea realizabilă doar cu supraîncălzirea. Acest lucru a condus la propuneri alternative bazate pe efectele electrodinamice ale curentului intens care acționează asupra plasmei din canalul ionic.

Calculul distanței

Zgomotul tunetului urmează strălucirea fulgerului , deoarece lumina călătorește mai repede decât sunetul : măsurând timpul care trece între viziunea fulgerului și percepția sunetului, este posibil să înțelegem la ce distanță s-a produs fenomenul.

Pentru a o putea determina, trebuie mai întâi să ținem cont de faptul că sunetul la 20 ° C se deplasează cu aproximativ 343 m / s în timp ce lumina se deplasează cu aproximativ 300.000 km / s (de peste 870.000 de ori mai rapid decât sunetul).

Să presupunem că fulgerul cade la 1 km distanță de observator: acesta din urmă își va vedea strălucirea aproape instantaneu (mai precis după 0,0000033 s, sau 3,3 µs) în timp ce sunetul va fi perceput după 2,9 s ^[1] . În mod similar, dacă fulgerul cade la 2 km distanță, lumina durează 6,6 µs (practic neglijabilă) pentru a deveni vizibilă și sunetul de 5,8 secunde pentru a fi perceput.

În practică, este suficient să împărțiți cu 2,9 intervalul de timp în secunde care trece între viziunea fulgerului și percepția sunetului, pentru a obține distanța în kilometri la care s-a produs fenomenul.

În mod echivalent (a se vedea paragraful următor), având în vedere, așa cum se vede, timpul luat de lumină pentru a ajunge la observator este neglijabil în comparație cu cel luat de sunet, intervalul de timp dintre viziunea blițului și percepția sunetului poate fi multiplicat. Pentru 343 m / s (viteza sunetului) pentru a avea distanța în metri la care s-a produs fenomenul.

Tunetul se aude rar la distanțe mai mari de 25 km.

Formule

Dacă cu $T_{l}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ indicăm timpul necesar pentru ca lumina să călătorească cu viteză $V_{l}$ ${\ displaystyle V_ {l}}$ $V_ {l}$ a parcurge distanța $d$ ${\ displaystyle d}$ $d$ existent între punctul în care s-a produs fulgerul și observatorul și dacă cu $T_{s}$ ${\ displaystyle T_ {s}}$ ${\ displaystyle T_ {s}}$ indicăm timpul necesar pentru ca sunetul să se deplaseze cu viteză $V_{s}$ ${\ displaystyle V_ {s}}$ $V_s$ pentru a parcurge aceeași distanță $d$ ${\ displaystyle d}$ $d$ , avem:

$T_{s}={\frac {d}{V_{s}}}$ ${\ displaystyle T_ {s} = {\ frac {d} {V_ {s}}}}$ ${\ displaystyle T_ {s} = {\ frac {d} {V_ {s}}}}$

Pentru că ceea ce măsurăm este diferența dintre $T_{s}$ ${\ displaystyle T_ {s}}$ ${\ displaystyle T_ {s}}$ Și $T_{l}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ , avem:

$T_{s}-T_{l}={\frac {d}{V_{s}}}-{\frac {d}{V_{l}}}=d\cdot ({\frac {1}{V_{s}}}-{\frac {1}{V_{l}}})$ ${\ displaystyle T_ {s} -T_ {l} = {\ frac {d} {V_ {s}}} - {\ frac {d} {V_ {l}}} = d \ cdot ({\ frac {1 } {V_ {s}}} - {\ frac {1} {V_ {l}}})}$ ${\ displaystyle T_ {s} -T_ {l} = {\ frac {d} {V_ {s}}} - {\ frac {d} {V_ {l}}} = d \ cdot ({\ frac {1 } {V_ {s}}} - {\ frac {1} {V_ {l}}})}$

Atâta timp cât $V_{l}>>V_{s}$ ${\ displaystyle V_ {l} >> V_ {s}}$ ${\ displaystyle V_ {l} >> V_ {s}}$ , sau $1/V_{l}<<1/V_{s}$ ${\ displaystyle 1 / V_ {l} << 1 / V_ {s}}$ ${\ displaystyle 1 / V_ {l} << 1 / V_ {s}}$ , putem trece cu vederea $1/V_{l}$ ${\ displaystyle 1 / V_ {l}}$ ${\ displaystyle 1 / V_ {l}}$ din formulă, obținând:

$T_{s}-T_{l}={\frac {d}{V_{s}}}$ ${\ displaystyle T_ {s} -T_ {l} = {\ frac {d} {V_ {s}}}}$ ${\ displaystyle T_ {s} -T_ {l} = {\ frac {d} {V_ {s}}}}$

În sfârșit, din moment ce $T_{s}>>T_{l}$ ${\ displaystyle T_ {s} >> T_ {l}}$ ${\ displaystyle T_ {s} >> T_ {l}}$ , putem trece cu vederea $T_{l}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ ${\ displaystyle T_ {l}}$ , obținând:

$d=V_{s}\cdot T_{s}=0,343\cdot T_{s}$ ${\ displaystyle d = V_ {s} \ cdot T_ {s} = 0,343 \ cdot T_ {s}}$ ${\ displaystyle d = V_ {s} \ cdot T_ {s} = 0,343 \ cdot T_ {s}}$