Achtergrond

Hoe, wat en waarom van infrageluid metingen

Infrageluid is onhoorbaar geluid omdat het bestaat uit frequenties lager dan 20 Hz. Dit type geluid is voor het eerst ontdekt na de uitbarsting van de Krakatau in Indonesië in 1883.

Er bleken geluidsgolven opgewekt die zeven keer rond de aarde gereisd hadden en thermosferische hoogten van 100 km bereikten. Infrageluid wordt gemeten met arrays van microbarometers. Deze instrumenten zijn veel gevoeliger en hoog frequenter, dan traditionele barometers, om de kleine en snelle luchtdrukvariaties van infrageluid te kunnen meten. Bronnen van infrageluid zijn groot en krachtig, zoals meteoren, explosies, oceaangolven, onweer, sprites en kernbomproeven. Een wereldwijd netwerk van 60 infrageluid arrays wordt aangelegd ter verificatie van het kernstopverdrag. Bronidentificatie is dan ook een van de onderzoeksdoelen waarbij de propagatie door de atmosfeer een belangrijke rol speelt. Niet-akoestische fenomenen zoals zwaartegolven kunnen ook gedetecteerd worden met de beschreven technieken. In de toekomst kan infrageluid aangewend worden voor akoestische remote sensing van de wind- en temperatuurstructuur van de gehele atmosfeer.

Karakteristieken van infrageluid

Geluid met een frequentie lager dan 20 Hz is voor de mens onhoorbaar en wordt infrageluid genoemd. De bijbehorende hele lage tonen hebben lange golflengtes, net als infrarood wat onzichtbaar licht is en ook lange golflengtes heeft. Lage frequenties worden veel minder gedempt in de atmosfeer dan hoge tonen. Hierdoor kan infrageluid zich over enorme afstanden voortplanten, ook in de hoogte.

De luchtdrukvariaties van infrageluid zijn klein in vergelijking tot meteorologische waarden. De amplitudes van infrageluid liggen tussen 1 mPa en 100 Pa, in de meteorologie zijn getallen van 100 hPa gebruikelijk. Infrageluid zijn akoestische golven en reizen met de geluidssnelheid (340 m/s in de grenslaag) wat veel sneller is dan meteorologische fenomenen.

De frequentie van infrageluid is gelimiteerd. Wanneer de frequentie te laag wordt, gaat de zwaartekracht een rol spelen in de voortplanting. De golven die dan ontstaan worden zwaartegolven (gravity waves) genoemd. Voor de lage atmosfeer is deze zogenaamde akoestische cut-off frequentie 3.3 mHz (een periode van zo'n 300 seconden) hierna gaan akoestische golven over in door de zwaartekracht gedreven golven.

Het meten van infrageluid

Om infrageluid te meten kan een microfoon laag frequent gemaakt worden of een barometer hoog frequent. Microfoons of luidsprekers hebben als nadeel dat ze vochtgevoelig zijn en daardoor minder geschikt voor continue buitenmetingen. Microfoons zijn ook niet instaat om de hele lage frequenties van infrageluid op te tekenen. Een hoge frequente barometer, daarentegen, kent deze nadelen niet. De KNMI microbarometer is ontwikkeld welke instaat is frequenties tussen de 0.002 (500 s) en 20 Hz te meten. Het voorvoegsel “micro” duidt op de zeer kleine luchtdrukvariaties die het instrument meet.
De meting van infrageluid wordt bemoeilijkt door wind. Hoewel wind een niet-akoestische golf is, verstoord deze het akoestische golfveld tussen ruwweg 1 en 10 Hz. Daarom wordt infrageluid niet op één punt gemeten maar op meerdere punten tegelijk, met een zogenaamd array. De windruis kan op deze manier ruimtelijk uitgemiddeld worden. Tevens kan met een array de richting waar vanuit het infrageluid komt, bepaald worden. Met twee arrays kan vervolgens de bron gelokaliseerd worden door middel van kruispeiling. Het KNMI beschikt over vijf infrageluid arrays, variërend in doorsnede van 30 tot 1500 m. Het aantal instrumenten per array is zes, voor het grote Deelen Infrageluid Array (DIA worden zestien microbarometers gebruikt (zie Figuur 1).

Figuur 1: Infrageluid arrays in Nederland. Vier infrageluid zijn operationeel in De Bilt (DBN), op Texel (TEMA), op vliegbasis Deelen (DIA) en te Exloo (EXL). Deze laatste is in samenwerking met LOFAR, een astronomisch sensornetwerk.
Figuur 1: Infrageluid arrays in Nederland. Vier infrageluid zijn operationeel in De Bilt (DBN), op Texel (TEMA), op vliegbasis Deelen (DIA) en te Exloo (EXL). Deze laatste is in samenwerking met LOFAR, een astronomisch sensornetwerk.

Infrageluid propagatie door de atmosfeer

De voortplanting van geluid door de atmosfeer is afhankelijk van de temperatuur en wind. Als de wind en/of de temperatuur toeneemt met de hoogte kan het geluid terugbuigen naar het aardoppervlak. Dit soort refracties volgen de wet van Snellius in een medium waar de voortplantingssnelheid toeneemt met hoogte (of met de diepte voor de vaste aarde of oceanen). Er zijn een drietal regio's in de atmosfeer waar infrageluid kan worden gevangen tussen het aardoppervlak en de refractor ten gevolge van “mee-wind” of hoge temperaturen.
Ten eerste kan dit gebeuren in de troposfeer. Normaliter neemt de temperatuur af met de hoogte waardoor het geluid omhoog afgebogen wordt. In het geval van een temperatuurinversie wordt het infrageluid gevangen in de inversielaag en kan zich zo in dit akoestische kanaal (“duct”) voortplanten. Een ander belangrijke duct kan gevormd worden door de jetstream. Sterke winden op hoogte van 10 km leiden tot refracties van infrageluid.

Sterke wind- en temperatuurtoenamen in de stratosfeer leiden ook tot refracties van infrageluid. Dit is een combinatie van de temperatuurtoename door de absorptie van uv-zonlicht door ozon en de sterke winden van de polaire vortex. Stratosferische refracties ontstaan tussen de 40 en 50 km hoogte. De temperatuur in de stratosfeer loopt op naar ruwweg 0 0C, terwijl de winter polaire vortex een sterkte van wel 150 m/s kan bereiken. Omdat de polaire vortex twee maal per jaar van richting veranderd, is de propagatie seizoensafhankelijk (zie Figuur 2)

Figuur 2: De propagatie van infrageluid door een zomerse atmosfeer in De Bilt (52N,5O). De westwaarts gerichte polaire vortex leidt tot het terugbuigen van infrageluid in westelijke richting vanaf 40 km hoogte in de stratosfeer.
Figuur 2: De propagatie van infrageluid door een zomerse atmosfeer in De Bilt (52N,5O). De westwaarts gerichte polaire vortex leidt tot het terugbuigen van infrageluid in westelijke richting vanaf 40 km hoogte in de stratosfeer.

In de thermosfeer, vanaf 100 km en hoger, neemt de temperatuur toe met hoogte, tenminste als de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes als maat voor de temperatuur genomen wordt. Deze temperatuurtoename leidt ook tot het terugbuigen van infrageluid naar het aardoppervlak. De demping begint hier wel een serieuze rol te spelen. Er zijn dusdanig weinig deeltjes op thermosferische hoogten dat de vrijweglengte 1 m is op 100 km hoogte, dit is 10-7 m nabij het aardoppervlak.

Bronnen van infrageluid

Om de lage frequenties van infrageluid op te kunnen wekken, zijn grote en krachtige bronnen nodig. Deze bronnen hebben vaak een desastreus karakter. Enkele voorbeelden:

Vulkanen: de erupties en explosies van de Krakatau in Indonesië in 1883 hebben infrageluid opgewekt dat zeven keer rond de aarde gereisd heeft en gemeten is op traditionele barometers. Dit is de eerste gebeurtenis waarvan het infrageluid instrumenteel vastgelegd is (zie Figuur 3).

Figuur 3: De ontdekking van infrageluid door mijningenieur R.D.M. Verbeek na de uitbarsting van de Krakatoa in 1883.
Figuur 3: De ontdekking van infrageluid door mijningenieur R.D.M. Verbeek na de uitbarsting van de Krakatoa in 1883.

Meteoroïden en asteroïden: materiaal dat de aardse atmosfeer binnendringt met supersone snelheden, in de orde van 10 km/s, genereert een schokgolf welke over grote afstanden meetbaar is als infrageluid. Veel objecten halen de grond niet maar branden op of ontploffen, dat laatste genereert extra infrageluid. Infrageluid van de Tunguska meteoroïde (of asteroïde) in 1908 is gedetecteerd in het Verenigd Koninkrijk op de eerste microbarografen ontworpen door Shaw en Dines (zie Figuur 4).

iguur 4: De registratie van een meteoor op een van de eerste microbarometers (Shaw en Dines, 1904). Het betreft infrageluid van de Tunguska meteoor in Siberië opgetekend in het Verenigd Koninkrijk (Whipple, 1930).
iguur 4: De registratie van een meteoor op een van de eerste microbarometers (Shaw en Dines, 1904). Het betreft infrageluid van de Tunguska meteoor in Siberië opgetekend in het Verenigd Koninkrijk (Whipple, 1930).
Figuur 5: De hoor- en voelbaarheid van het geluid samenhangend met de belegering van Antwerpen in 1914 (Van Everdingen, 1914; Meinardus, 1915).
Figuur 5: De hoor- en voelbaarheid van het geluid samenhangend met de belegering van Antwerpen in 1914 (Van Everdingen, 1914; Meinardus, 1915).

Grote explosies: De belegering van Antwerpen in 1914 heeft (infra)geluid opgewekt dat waargenomen is in Nederland en Duitsland en de aandacht trok van Prof. Van Everdingen, later directeur van het KNMI (zie Figuur 5). Met name het voorkomen van stiltezones is tot in de jaren 30 een onderwerp van discussie geweest. Maar ook kernbommen wekken infrageluid op. Een meetwerk van zestig infrageluid arrays wordt momenteel gerealiseerd ter verificatie van het kernstopverdrag.

Oceaan golven: de interactie van staande golven nabij lage drukgebieden en zware stormen, koppelt naar de atmosfeer als infrageluid. Deze zogenaamde microbaromen hebben een equivalent in de vaste aarde waar ze microseism genoemd worden. Depressies die over de Atlantische Oceaan van zuid naar noord trekken, kunnen met richtingsbepaling uit infrageluid arrays gevolgd worden.

Bronnen zijn ook: onweer, munitie, lawines, gas affakkelen, sprites, olifanten, aurora, orkanen, sub- en supersoon vliegverkeer, aardbevingen en er wordt infrageluid gedetecteerd van bronnen waarvan de oorsprong vooralsnog onbekend is.

Belang van de studie van infrageluid

Infrageluid wordt gemeten om onderscheid te kunnen maken tussen trillingen veroorzaakt door bronnen in de vaste aarde en atmosfeer. Een straaljager die door de geluidsbarrière gaat boven de Noordzee is op korte afstand (10+ km) hoorbaar als twee knallen, de voor- en achterzijde gaan door de geluidsbarrière. Op grotere afstand (50-100+ km) blijft alleen het onhoorbare infrageluid over. Dit kan wel leiden tot trillingen. Soortgelijke trillingen worden veroorzaakt door kleine ondiepe aardbevingen ten gevolge van gaswinning. De afdeling Seismologie van het KNMI heeft een voorlichtende taak aangaande de oorzaak van trillingen in Nederland.

Infrageluid wordt gebruikt als verificatietechniek voor het kernstopverdrag. Bovengrondse kernbomproeven zullen in de toekomst geïdentificeerd worden met een wereldwijd netwerk van 60 infrageluid arrays. Begrip over de voortplanting van infrageluid kent nog de nodige onzekerheden. Onderzoek naar de bijdrage van de atmosfeer aan de propagatie en studies met bekende bronnen dragen bij aan de toepasbaarheid van infrageluid als verificatietechniek.

Tot slot

De technieken die gebruikt worden om infrageluid te meten, kunnen ook gebruikt worden om niet-akoestische fenomenen te meten. Hoewel de frequentie lager is, is ook de propagatiesnelheid lager. Hierdoor zijn arrays van microbarometer geschikt om bijvoorbeeld gravity waves te detecteren en te karakteriseren. Gravity waves destabiliseren de grenslaag. Onzekerheden in de representatie van de grenslaag in klimaatmodellen leiden tot onzekerheden in klimaatvoorspellingen. Met infrageluid kan onderscheid gemaakt worden tussen gravity waves en andere destabiliserende elementen zoals turbulentie en kan een klimatologie over het voorkomen van gravity waves opgebouwd worden.

Infrageluid reist door de hoge atmosfeer waar wind- en temperatuurmetingen schaars en lastig te valideren zijn. Door continue bronnen van infrageluid te gebruiken, zoals microbaromen, kan een beeld gevormd worden van de wind- en temperatuurstructuur van bijvoorbeeld de stratosfeer (akoestische remote sensing). De stratosfeer en troposfeer zijn lange tijd beschouwd als aparte systemen, gescheiden door de ondoordringbare tropopause. De interactie tussen beide systemen wordt een steeds belangrijker studie-object, omdat processen in de stratosfeer wel degelijk lijken te koppelen naar de troposfeer.

Referenties

  • Meinardus W., 1915: Die Hörweite des Kanonendonners bei der Belagerung von Antwerpen. Meteorologische Zeitschrift, Mai, 199-206.
  • Shaw W.N. en Dines W.H., 1904: The study of the minor fluctuations of atmospheric pressure. Q. J. R. Meteorological Soc., 31, 39-52.
  • Van Everdingen E., 1914: De hoorbaarheid in Nederland van het kanongebulder bij Antwerpen op 7-9 October 1914. Hemel en Dampkring, 6, 81-85.
  • Verbeek R.D.M., 1885: Krakatau (Uitgegeven op last van zijne excellentie den Gouverneur-Generaal van Nederlandsch-Indië). Landsdrukkerij, Batavia.
  • Whipple F.J.W., 1930: The great Siberian meteor and the waves, seismic and arial, which it produced. Q. J. R. Meteorological Soc., 56, 287-304.

Dit artikel is verschenen in Meteorologica.

Niet gevonden wat u zocht? Zoek meer achtergrond artikelen