Prędkość dźwięku na Marsie inna niż na Ziemi. Zdumiewające odkrycie naukowców

Na Marsie dźwięk porusza się znacznie wolniej niż na Ziemi. Prędkość rozchodzenia się fal zależy od gęstości ośrodka, w którym zachodzi. W przypadku Marsa różnica wynika z cienkiej atmosfery, ponad 100 razy rzadsza niż ziemska. Na Marsie porusza się ze średnią prędkością zaledwie 240 metrów na sekundę. Na Ziemi przebyłby w tym czasie jeszcze kolejne 100 metrów.

Co do zasady, im ciaśniej upakowane cząsteczki na drodze fali dźwiękowej, tym większa jej prędkość. Zależność jest nieintuicyjna, "chłopski rozum" podpowiada, że więcej przeszkód na trasie powinno raczej spowalniać - fale zachowują się inaczej. W wodzie prędkość dźwięku to ok. 1500 m/s, w drewnie sosnowym blisko 5000 m/s, a w diamencie zawrotne 18 000 m/s. 

Nie bez znaczenia są także inne parametry, np. temperatura. Gdy na dworze (na Ziemi) jest 20 stopni, dźwięk porusza się z prędkością nieco ponad 340 m/s, jednak w upalny dzień, gdy termometry pokazują ok. 40 stopni dźwięk pędzi o 15 m/s szybciej. Z drugiej strony, przy 40-stopniowym mrozie dźwięk zwolni do ok. 305 m/s.

Różnie są spore, ale nie dramatyczne - przynajmniej na Ziemi. Na Marsie wygląda to trochę inaczej.

To, że dźwięk na Czerwonej Planecie rozchodzi się wolniej ze względu na niskie temperatury i rzadką atmosferę naukowcy wiedzieli na długo przed lądowaniem łazika Perseverance. To najnowszy z robotów przemierzających czerwone pustynie, wylądował tam w lutym 2021 roku, a wraz z nim mikrofony będące częścią urządzenia badawczego SuperCam.

Z ich pomocą Perseverance dokonał kolejnego akustycznego odkrycia. Zauważył, że niskie dźwięki (poniżej 240 Hz) poruszają się na Marsie zauważalnie wolniej niż wysokie. Te niskie częstotliwości poruszają się o około 10 m/s wolniej niż wysokie częstotliwości. Powód? Szczególne właściwości atmosfery Marsa, która składa się w 95% z dwutlenku węgla. Gaz ten absorbuje część energii dźwięku o niższych częstotliwościach i jest tak również na Ziemi, z tym że w naszej atmosferze udział CO2 nie przekracza 0,04 proc, a więc efekt jest minimalny i, nie licząc hiperdokładnych badań, bez znaczenia.

"Mars to jedyna planeta Układu Słonecznego, na której prędkość dźwięku zmienia się dokładnie w środku słyszalnego pasma (dla ludzi to fale o częstotliwości 20 do 20 tys. Hz)" - czytamy w artykule zespołu badawczego Baptiste'a Chide'a, planetologa z Laboratorium w Los Alamos, który ukazał się podczas międzynarodowej konferencji astronomicznej w 2022 roku. 

W praktyce oznacza to, że gdyby na Marsie zorganizowano koncert, to do publiki stojącej daleko basy docierałyby później niż wokal i reszta linii melodycznej.

W maju 2024 roku na łamach czasopisma naukowego JGR:Planets ukazał się kolejny artykuł dotyczący marsjańskich osobliwości akustycznych. Jego autorzy postawili przed zespołem ambitny cel - stworzyć model, który pozwoli przewidywać prędkość rozchodzenia i tłumienia dźwięku w każdym punkcie na powierzchni Marsa, o każdej porze marsjańskiego dnia i roku. Badacze zapewniają, że odnieśli sukces, a przy okazji udało im się zidentyfikować kilka kolejnych dźwiękowych dziwactw Czerwonej Planety.

Na podstawie ogromnej bazy danych klimatycznych z marsjańskich orbiterów naukowcy stworzyli model, który uwzględnia zmiany temperatury, skład atmosfery, porę dnia, roku, ale też ukształtowanie terenu.

Wcześniej badacze skupiali się na rozchodzeniu dźwięku, tym razem duży nacisk położono na lepsze zrozumienie tłumienia akustycznego, wygaszania wraz z przebytą odległością.

Największa różnica w porównaniu z Ziemią wynika z ogromnych wahań temperatury i stężenia CO2 w ciągu marsjańskiej doby. Na obszarze, w którym obecnie znajduje się łazik Perseverance rozbieżność dochodzi do 50 stopni Celsjusza, co przekłada się na 30 m/s różnicy w prędkości dźwięku w najzimniejszym i najcieplejszym momencie dnia. Wpływ temperatury jest jeszcze większy, jeśli chodzi o tłumienie fal akustycznych. W najcieplejszych godzinach dźwięk na Marsie zanika nawet 3 razy szybciej, niż kiedy jest zimno. 

Według wskazań modelu, warunki akustyczne najbardziej zbliżone do ziemskich występują na marsjańskich wzgórzach w godzinach porannych. W innych punktach dochodzące do uszu potencjalnych kolonizatorów dźwięki Czerwonej Planety będą poszarpane, wysokie i niskie tony "rozjadą się" wraz z pokonywaną odległością, a niższe, odległe dźwięki, które jednak na Ziemi słyszymy bez problemu (np. odległy pomruk grzmotu) na Marsie będą zupełnie poza zasięgiem ludzkiego słuchu.

Szczegółowe badania Czerwonej Planety są kluczem do planowania bezpiecznych i udanych misji, zarówno bezzałogowych, jak i tych z udziałem ludzi. Choć pozornie takie kwestie mogą wydawać się nieistotne, to odpowiednia komunikacja w skali międzyplanetarnej wymaga uwzględnienia każdego, choćby najdrobniejszego szczegółu. Dociekania naukowców wymagają tego zresztą już dzisiaj.

Odmienna prędkość rozchodzenia się fal o różnej częstotliwości może prowadzić do błędnej interpretacji odczytów z aparatury marsjańskich łazików i orbiterów. Mimo że od lotów na Marsa zapewne dzieli nas jeszcze ok. dekady (a historia uczy, że eksploracja kosmosu lubuje się w wieloletnich opóźnieniach), to w laboratoriach i biurach projektowych od lat powstają kolejne wersje przeróżnych elementów wyposażenia przyszłych "marsonautów" - od systemów produkcji żywności i odzyskiwania wody z marsjańskich skał, po nową generację kombinezonów kosmicznych i setki różnych urządzeń, w tym komunikacyjnych.

Akustyczne anomalie Marsa wymuszą choćby produkcję przystosowanych do innych warunków alarmów, czujników, i całych systemów ostrzegania przed zagrożeniami surowego marsjańskiego klimatu.

Przy okazji działa tu także sprzężenie zwrotne - skrupulatne badanie akustyki Marsa prowadzi do lepszego poznawania wpływających na nią czynników - nasłonecznienia, promieniowania, gęstości i składu atmosfery i wiatrów włącznie z monstrualnymi burzami pyłowymi, gdzie najmniejsze przykrywają teren porównywalny z powierzchnią Polski, a największe tygodniami okrążają całą Czerwoną Planetę (badania wykazały, że sam pył nie wpływa znacząco na pogorszenie słyszalności, podobnie jak na Ziemi).

Źródła: Gillier, M., et al. (2024). Geographical, seasonal and diurnal variations of acoustic attenuation, and sound speed in the near-surface Martian atmosphere (doi.org/10.1029/2023JE008257); jpl.nasa.gov; livescience.com; www.hou.usra.edu; marsed.asu.edu