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能量10000倍於原子彈的火山爆發,發出的聲音有多大

http://finance.sina.com   2020年01月10日 19:11   北京新浪網

  本文轉載自公衆號SME科技故事

  大家應該都知道蒙克那副魔性的《吶喊》吧。我們今天關於“聲音”的話題,就從這幅名畫開始吧。

蒙克的《吶喊》蒙克的《吶喊》

  人類很容易過度解讀藝術和文學作品背後蘊含的意義。於是,“藍色的窗簾”就成了一個戲謔過度解讀的梗。

  蒙克的作品大多是表現主義,對於《吶喊》不少藝術家亦認爲血橙色的天空和扭曲的線條,是蒙克內心壓抑與恐懼的表現。

  但是,《吶喊》很可能是一副寫實成分很重的作品,靈感來源於一場火山爆發。

1883年印尼喀拉喀托火山大爆發

  圖源維基百科1883年印尼喀拉喀托火山大爆發   圖源維基百科

  Part.1

  撕裂天空,並讓畫中男子發出尖銳吶喊的,其實是1883年8月27日的印尼喀拉喀託(krakatoa)火山大爆發。

  這是近代史上,最大規模的火山爆發之一。儘管畫中男子身處挪威,但這次火山噴發威力實在驚人,並帶來了全球連鎖的天氣異象。

  在世界範圍內,各處的天空在好幾個月內都出現了壯觀的橘紅色日落景象。而除了蒙克的《吶喊》以外,英國畫家威廉·阿斯克羅夫特就一共創作了500多副日落的畫作。

威廉·阿斯克羅夫特1883年的畫作,他的一系列日落作品成了科學家研究喀拉喀托火山爆發的材料威廉·阿斯克羅夫特1883年的畫作,他的一系列日落作品成了科學家研究喀拉喀托火山爆發的材料

  除了影響文藝創作,這場火山爆發,還引起了一場致命海嘯。高達30米的海浪,把165個沿海村莊被沖毀,共造成36417人死亡。

  火山爆發之後,喀拉喀託島幾乎被夷爲平地,只剩下南邊的三分之一。

  第二年,北半球夏季平均氣溫就直接下降了1.2攝氏度。當時,大量的火山灰混入大氣中,過濾掉了大量地球表面的太陽輻射。直到1888年,全球氣候才恢復了正常。

虛線部分是1883年8月26日火山爆發前的陸地虛線部分是1883年8月26日火山爆發前的陸地

  而這場驚天地泣鬼神的火山爆發,也發出了人類歷史上可觀測到的最大的聲音。當時,全球十三分之一的區域,都聽到了喀拉喀託島發出的響聲。

  如果你在廣州跟別人說,自己聽到了北京傳來的聲音,別人一定以爲你在做夢。但據紀錄顯示,喀拉喀托火山爆發時,5000公里開外的地方都能聽到聲音。要知道,從廣州到北京的直線距離,不過2000公里。也就是說,這次火山爆發的聲音,傳了2.5倍的廣州到北京的直線距離。

  在距離喀拉喀托火山的160公里處,其音量仍然高達到了172分貝。這已是一種難以想象的巨大聲音。絕大多數人這一輩子,都沒有體會過。

  那在更靠近喀拉喀托火山的地方,聲音聽起來是怎樣的?這個地球上最大的聲音,究竟有多大?另外,聲音真的能殺死人嗎?

  Part.2

  說到聲音的單位,很多人第一時間想到的就是分貝(decibel,簡寫爲dB)。其中deci-表示十分之一,-bel則是“貝爾”,以美國發明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾的名字命名。

亞歷山大·格雷厄姆·貝爾,電話的發明者亞歷山大·格雷厄姆·貝爾,電話的發明者

  但分貝,並非是一個直接描述聲音強度的物理量,和描述時間的秒、或描述長度的米等不同。因爲,人能聽到聲音,必須涉及到雙耳的主觀感受。

  聲音由物體的振動產生,一切發聲的物體都在振動。不過,振動的物體不一定就能發聲,因爲聲音的傳遞需要介質。我們之所以能聽到聲音,是因爲空氣中的空氣分子的振動傳到了我們雙耳。

  當聲音在空氣中傳遞時,周圍氣壓就會發生改變。所以,用於描述聲音大小的物理量應該是聲壓,單位爲帕斯卡(Pa)。

  當造成更大壓力變化,人耳能感受的聲音響亮度則更高,而造成較小的壓力變化,人耳能感受的聲音響亮度則更弱。

  正常人耳,能夠聽到的最微弱的聲音,也即感受到最小的聲壓變化就叫做“聽覺閾值”。例如,在1個標準大氣靜壓強的情況下,當聲壓超過20μPa,大概是一隻蚊子在3米外飛,人類雙耳就能感受到了。

  但一米外的一個氣球爆炸,其聲壓卻能達到了731Pa,一米外步槍射擊聲壓則達到了7270Pa。從這裏,我們也可以看出聲壓的變化範圍是非常大的,自然界中的絕對聲壓差就達到了1000萬倍。

  所以,用帕斯卡(Pa)來表達聲音或噪音強度是很不方便的。而這也並不符合我們在日常生活中的直觀感覺。

  爲了方便使用,我們便根據人類的生理特性等因素,引入了“分貝”(dB)的概念來表示聲壓級,也即Sound pressure level(SPL)。

  當剛好達到“聽覺閾值”時,其聲壓級就定義爲0分貝。這個0分貝就是一個基準值,再大的聲壓級,則可以通過以下公式計算,SPL=

  其中, p(ref)是參考聲壓20μPa,也即1000Hz時人耳的“聽覺閾值”。

  因爲分貝是對數比例的。這也意味着,110分貝比100分貝要響10倍,120分貝比100分貝要響100倍。

  此外,0分貝也並不代表着沒有聲音,只是我們無法感知罷了。其實,最微弱的聲音,也比人類能聽到的聲音要輕得多。所以,當你看到-20dB的聲壓級也不必驚慌。其對應着,不過是聲壓2×10^(-6)Pa而已。

  Part.3

  那麼最大聲的聲音呢?從理論上來說,在1個標準大氣壓下能傳播的最大的聲壓級極限爲194dB。

  當超過了這個極限,聲音就不再只是通過空氣傳播了,而是將空氣往外推開。這便是形成了我們所說的衝擊波。

  說回印尼的喀拉喀托火山爆發。當時,一艘英國船就在距離喀拉喀托火山的60公里處。在船長的日記中,他提到有一半以上的船員都發生了耳膜破裂。而他當時,還以爲世界末日要來臨了。另外,在更靠近喀拉喀托火山的地方,聲音早已超過了最大聲壓級194分貝了。

  其實,當聲音超過130分貝時,人就會產生痛覺了,這也叫做“痛閾”。這時候,人們雙耳除了感覺很響以外,雙耳還會覺得疼痛。

  而當超過150分貝時,人類的耳膜就會破裂,併產生永久損傷。這時,就算你用手指來捂住耳朵都不管用了。另外,大量實驗已表明,強噪聲場能引起動物的立即死亡。在170分貝下大約6分鐘,就能使半數受試小白鼠死亡。

  所以,當聲音超過194分貝時,我們關心的就不再只是耳膜穿孔那麼簡單了。

  在衝擊波下,可直接引起嚴重的衝擊傷。二戰期間,在廣島和長崎遭核襲擊的損傷中,除了燒傷和核輻射傷以外,最嚴重的便是衝擊傷。

  耳膜和聽小骨等是人類能聽到聲音的關鍵,但在衝擊波下這些零件會損壞,聽力直接喪失。所以,也可以說人類能聽到最大的聲音,就是導致聽力徹底失常時的聲音。

在船上遠處的一座小火山爆發在船上遠處的一座小火山爆發

  不過,我們還能通過其他途徑感受“聲音”的強大。例如,極嚴重的衝擊傷可同時造成身體的多處嚴重損傷,包括顱腦脊髓損傷,胸、腹腔破裂,內臟破裂和嚴重的內出血並造成大血管破裂,軟組織擠壓傷乃至肢體離散等。如果搶救不及時,大部分人會當場死亡。

  有研究顯示,火山爆發出的能量是在日本廣島投下原子釋放的能量的10000倍。

  但幸好,喀拉喀託是一座無人島,火山爆發時周圍基本沒有人。而更多的受害者是因爲巨大的海嘯而死亡的。與2004年印尼海嘯一樣,喀拉喀托火山爆發引起的海嘯幾乎摧毀了周圍的一切。當時,一個重達600噸的珊瑚礁還直接被海嘯甩上了陸地上。

被送上岸的巨型珊瑚礁,魔幻感十足。被送上岸的巨型珊瑚礁,魔幻感十足。

  Part.4

  除了人類能聽到的聲音,喀拉喀托火山爆發還產生了強大的次聲波。人耳能聽到的頻率大概是在20Hz~20000Hz之間,這也叫做可聽聲。頻率高於20000Hz的聲波,叫做超聲波;而頻率低於20Hz的則叫做次聲波。

  次聲波的一個特點就是不容易衰減和不易被吸收,並能繞開大型障礙物。當時,科學家就記錄到了喀拉喀託的次聲波曾圍繞地球三至四圈。

  而次聲波對人體的傷害,也是不容小覷的。儘管人耳聽不到,但某些頻率的次聲波由於與人體器官的振動頻率相近,很容易形成共振,對人體帶來損傷。

  例如,19Hz是眼球的振動頻率。當遇到相同或相近的低頻振動時,容易造成眼球變形,視網膜被擠壓等。科學家就曾記載過一次詭異的鬧鬼事件,有人稱在實驗室內見過了鬼影。但後來人們才發現,這是因爲實驗室風扇18.98Hz的共振頻率引起的。一關掉風扇,共振消失,這種靈異現象當即消失。

  但你也別以爲不是遇上火山爆發、核彈爆炸等特殊情況,我們就能安然無恙了。其實噪音,比我們想象中的傷害還要大,特別是長時間處在噪音的環境下。日常請注意把耳機的音量調低,以及少蹦點迪。

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