Как звучит дождь под водой: почему мелкая капля звенит, капля покрупнее почти не слышна, а ливень глушит сам себя

«А рыбам под водой дождь вообще слышно? Или там тишина?»

Такой вопрос задают, когда дождь застаёт в море и все сидят под тентом, глядя, как вода покрывается рябью из кругов. Кажется, что под поверхностью должно быть глухо: метр воды, и никакого стука по крыше. Акустики ответили на это давно, и ответ никто не угадывает. Дождь, падающий на воду, — один из самых громких источников звука в океане. А самый громкий его голос дают не крупные тяжёлые капли, а мелкие, около миллиметра в поперечнике. Капли в полтора миллиметра, чуть крупнее, под водой звучат куда тише. Если поставить гидрофон под слабый затяжной дождь из таких миллиметровых капель, он пишет пронзительный писк на частотах 13–25 килогерц. Средний дождь без мелочи в составе звучит тише. Нелогично, но измерено так надёжно, что по этому звуку теперь считают осадки над открытым морем, где дождемер не поставишь.

Самая громкая капля — не самая крупная

Главные работы здесь сделал Джеффри Нистуэн из Лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета. В 2000 году он изложил их для NASA Earth Observatory в статье «Слушая капли дождя». Там капли разложены на пять акустических классов, и таблица выглядит так, будто её составлял шутник.

Самые мелкие, меньше 0,8 миллиметра, падают мягко и под водой не слышны вовсе. Следующий класс, 0,8–1,2 миллиметра, авторы называют «удивительно громким». Капли 1,2–2 миллиметра, то есть покрупнее, снова тихие: от них остаётся слабый шлепок, размазанный по широкой полосе частот. Потом, от двух миллиметров и выше, громкость возвращается, и очень крупные капли больше трёх с половиной миллиметров шумят во всём диапазоне от 1 до 50 килогерц.

Громкость, выходит, растёт с размером капли не плавно, а скачками, с провалом посередине. Сидя под тентом, эту лестницу не услышишь, ухо над водой ловит только шорох по поверхности. А на полметра ниже борта творится совсем другое: прогулочный катер с заглушённым мотором в такую минуту — поплавок над концертом, которого на палубе не слышит никто. У моря вообще хватает голосов мимо нашего уха, от инфразвукового рокота шторма до этого писка на другом краю шкалы.

Пузырёк кричит, пока молодой

Вся загадка в пузырьке. Капля, падая на воду, звучит дважды: сначала удар о поверхность, потом звон воздушного пузырька, если всплеск его под воду утащил. Удар у большинства капель тихий, а пузырёк — нет. Новорождённый пузырёк сжат водой неравномерно, давление внутри и снаружи не уравновешено, и он начинает пульсировать: сжимается, перелетает равновесие, раздувается, снова сжимается. Каждая пульсация толкает воду, и выходит чистый, почти музыкальный тон.

Какой высоты тон, решает размер: чем меньше пузырёк, тем выше нота. Это закон Марселя Миннарта 1933 года, тот же самый, которым объясняется шум прибоя, — про хор пузырьков в разбивающейся волне мы писали отдельно, повторять не буду. Здесь важно другое. У капли в миллиметр геометрия всплеска такова, что пузырёк отрывается при каждом ударе, причём одного и того же размера. Это описали ещё в 1989 году Памфри, Крам и Бьёрнё. Тысячи одинаковых пузырьков звенят на одной ноте, и звон складывается в узкий громкий пик между 13 и 25 килогерцами.

Живёт этот крик недолго. Нистуэн в тексте для NASA делит жизнь пузырька на две стадии — «кричащего младенца» и «тихого взрослого». Через несколько десятков миллисекунд пузырёк успокаивается и меняет роль: он больше не излучает, а поглощает звук, причём лучше всего на той самой частоте, на которой только что звенел. Запомните эту деталь, она ещё сработает.

Капля в полтора миллиметра падает без пузыря

Почему средняя капля тихая? Её всплеск устроен так, что воздух под воду не уходит. Кратер от удара схлопывается, не отщипнув пузырька. Остаётся один удар, а он, как уже сказано, тихий: у капель до двух миллиметров вклад удара в общий звук мал.

Если бы дождь состоял из капель строго одного размера, получилась бы странная картина: миллиметровый дождь под водой звенит, полуторамиллиметровый почти молчит. В жизни капли всегда вперемешку, и мелкие, по словам авторов, есть почти в любом дожде, включая лёгкую морось. Поэтому писк на 13–25 килогерцах слышен под большинством дождей, а в чистом виде, когда его ничто не перекрывает, выделяется именно при слабом затяжном.

Тут есть оговорка, которую я сам сначала пропустил. Настоящая морось в метеорологическом смысле — капельки около трёх десятых миллиметра, и такие, по той же таблице, под водой беззвучны. «Звук мороси», как его называют акустики, пишется только тогда, когда в дожде есть капли крупнее 0,8 миллиметра: это прямо сказано в работе Нистуэна 2001 года о подводном измерителе капель. Так что звенит не пыль, висящая в воздухе, а мелкий дождь чуть погуще.

Ливень громче, но успевает себя заглушить

Честности ради: сильный ливень, тот самый, что над морем идёт отдельными столбами, всё-таки громче мороси. В той же статье сказано, что проливной дождь шумит сильнее любого другого, по всему спектру, а крупные капли добавляют низкие тона от 1 до 10 килогерц, потому что утаскивают под воду пузыри разных размеров. Провал в таблице касается размера капель, а не силы дождя.

Но у ливня есть свой фокус. На якорной станции в Южно-Китайском море гидрофон записал два спектра экстремального дождя, около двухсот миллиметров в час, с разницей в пять минут. Интенсивность не изменилась, а верхние частоты во второй записи просели. За эти пять минут дождь набил в поверхностный слой столько пузырьков, что они легли под поверхностью подушкой. Новые звуки проходили сквозь неё и вязли. Работают те самые «тихие взрослые»: мелкие пузырьки всплывают медленнее крупных, дольше висят в воде и глушат именно высокие частоты. Ливень в какой-то момент начинает поглощать собственный звон.

С воды саму подушку не разглядеть. Видно только, как в сильный дождь поверхность кипит и белеет от брызг и фонтанчиков, — где-то под этой кипенью и копятся пузырьки, в которых звук вязнет.

Как дождь над океаном считают на слух

На суше осадки меряют ведром с делениями. В открытом море так не выйдет: дождемер на качающемся буе врёт, а людей, которые его обслужат, там нет. Поэтому в Вашингтонском университете собрали акустический дождемер: гидрофон, немного электроники, экономный компьютер и батарею, которой хватает на год без обслуживания. Прибор крепят к тросу океанской якорной станции, каждые несколько минут он просыпается, слушает воду и записывает спектр.

Дальше работает та самая лестница капель. Раз у каждого размера свой почерк, по спектру можно восстановить, сколько в дожде капель каждого класса, а отсюда посчитать интенсивность осадков. Отличить дождь от ветра тоже можно: шум ветровых барашков однороден и растёт с ветром, а дождь заметно громче и богаче высокими частотами. Даже морось в слабый ветер, пишут авторы, может быть на порядки громче чисто ветрового фона. Когда дождя нет, тот же прибор по шуму барашков меряет ветер, с точностью около метра в секунду.

Есть у метода и слабое место, по-моему, самое изящное во всей истории. Писк мороси чувствителен к ветру: при ветре сильнее 8–10 метров в секунду его не удавалось поймать. Сильный дождь, наоборот, гидрофон слышит и при ветре за 20 метров в секунду. Шторм заглушает шёпот, но не крик.

Что звучит под нашим килем осенью

Все эти записи сделаны в океане: у Флориды, в Южно-Китайском море, в Северной Атлантике. Специальных замеров звука дождя в Чёрном море я не нашёл, так что переносить таблицу на наш берег приходится с оговоркой. Физика пузырька от солёности зависит слабо: в формулу Миннарта она входит только через плотность воды, а черноморская вода легче океанской всего на процент с небольшим. Но это рассуждение, а не замер.

Ухом этот концерт тоже не проверить. Человек слышит примерно до двадцати килогерц, с возрастом меньше, так что верх писка мороси лежит для нас за краем слуха, а под водой ухо и вовсе работает плохо. Слышат его гидрофоны. А на вопрос из начала, слышат ли его рыбы, честного ответа по нашей черноморской рыбе я так и не нашёл; ясно одно — тишины там нет.

Зато видно всё, что этот звук рождает. Ливень сечёт воду, поверхность кипит и белеет. Мелкий дождь покрывает её частой сеткой кругов, и от каждой миллиметровой капли, если верить таблице Нистуэна, вниз уходит отдельный звенящий пузырёк. В такие минуты у заглушённого борта наверху почти тихо, а под килем звенит тысячеголосый хор на грани слышимости.

Свои полторы с лишним тысячи миллиметров осадков в год Сочи набирает неравномерно, больше всего — с октября по январь, и конец сентября — порог этого сезона: вода ещё тёплая, а дождь над морем уже не редкость. Выход под дождь никто не планирует нарочно. Но если мелкий дождь застанет у берега, стоит минуту посмотреть на круги. Под каждым из них звенит капля того самого размера, по которому акустики считают дождь.