能量10000倍于原子弹的火山爆发,发出的声音有多大

能量10000倍于原子弹的火山爆发,发出的声音有多大
2020年01月11日 11:11 新浪科技综合

  本文转载自公众号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》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1883年印尼喀拉喀托火山大爆发   图源维基百科

  Part.1

  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?

  Part.2

  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20μPa,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。

  Part.3

  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。被送上岸的巨型珊瑚礁,魔幻感十足。

  Part.4

  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。

海啸冲击波
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