Antwoord
Beste Dirk,
Geluid is een mechanische golf van luchtdeeltjes. De enorme bliksemontlading brengt de lucht op enorme temperatuur en dit gaat gepaard met een geweldige thermische uitzetting van de lucht die de mechanische golfbeweging in gang zet.
De belangrijkste reden voor de lang nazinderende donder is dat de bliksem op een erg lang pad geluid doet ontstaan: van aan de aardoppervlakte tot enkele kilometers hoog (of soms ook omgekeerd). Geluid plant zich voort in de lucht aan ongeveer 1 km per 3 seconden. (Bijv. 9 seconden tussen bliksem en donder wil zeggen dat de inslag ongeveer 3 km van je verwijderd is.) Je hoort grosso modo eerst het geluid dat aan de oppervlakte ontstaat en vervolgens geleidelijk aan het geluid dat hoger en hoger ontstaat omdat dit geluid een langer pad heeft moeten afleggen tot aan jouw oren. Uiteraard gebeurt hetzelfde met de bliksem, maar aangezien de voortplantingssnelheid van licht veel, veel groter is dan deze van geluid (300000 km/s) nemen onze ogen dit waar als een ogenblikkelijke flits.
In een ideale wereld zonder temperatuurverschillen, wind, bomen en bebouwing en bij een blikseminslag die overal even intens is en een recht pad volgt, zou het geluid steeds geleidelijk aan stiller worden. Maar in de praktijk hoor je dat typisch roffelend effect. Enerzijds komt dat omdat een blikseminslag allerlei vertakkingen kent en het geluid dus vanop talloze verschillende plaatsen ontstaat (de ene al dichterbij dan de andere) waarbij sommige vertakkingen intenser zijn en meer geluid veroorzaken dan andere. Anderzijds zijn geluidsgolven, zoals alle soorten golven, onderhevig aan vrij ingewikkelde fenomenen. De relevante fenomenen om dit roffeleffect uit te leggen zijn reflectie en diffractie.
Reflectie of weerkaatsing kan op twee manieren gebeuren:
- De eerste is het makkelijkst ter interpreteren, denk maar aan een echo: als je op 50 meter van een sterk reflecterende wand staat (i.e. een "harde" wand zoals een rotswand of een betonnen muur) en klapt in je handen, dan hoor je ongeveer 0,3 seconden later de handklap nog eens. In m/s is de voortplantingssnelheid van geluid immers om en bij de 340 m/s (bij 20 °C), dus hoor je het geluid opnieuw nadat deze 50 meter heen en 50 meter terug (100 meter in totaal in dit voorbeeld) heeft afgelegd. Overigens weerkaatst geluid zoals licht, nl. onder een gelijke hoek als de invalshoek.
- De tweede is wat moeilijker voor te stellen: golven kunnen in eenzelfde medium weerkaatsen - zonder dat hierbij een ander materiaal zoals een harde wand aan te pas komt. Dit is mogelijk wanneer de geluidsgolf plots een luchtlaag met een andere dichtheid tegenkomt, bijv. door een andere temperatuur en relatieve vochtigheid. Een deel van de geluidsgolf zal dan weerkaatsen.
Diffractie of
afbuiging van het geluid in de atmosfeer kan op drie manieren optreden:
- De eerste is wanneer golven hindernissen (obstakels) op hun pad tegenkomen die ongeveer dezelfde afmetingen hebben als de golflengte van de golf. (Als L de golflengte is in meter en f de frequentie in Hertz (Hz), dan geldt als verband met de voortplantingssnelheid: 340 m/s = L * f, bijv. een laagfrequente toon van 68 Hz komt overeen met een golflengte van 5 m. We horen tussen 20 Hz en 20000 Hz.) De golf, die normaliter rechte paden aflegt, zal plaatselijk worden afgebogen ter hoogte van de hindernis en verder weer een recht pad afleggen.
- De tweede is geen plaatselijke afbuiging maar een geleidelijke afbuiging doorheen de lucht. Op grote schaal bekeken, zijn er immers talloze temperatuursverschillen en verschillen in relatieve vochtigheid van de atmoferische lucht. Deze zorgen voor verschillende dichtheden van de lucht. Hoe groter de luchtdichtheid (of hoe groter de dichtheid van een materiaal in het algemeen), hoe sneller golven zich voortbewegen. Een en ander heeft tot gevolg dat golven altijd de snelste weg "zoeken" tussen twee punten i.p.v. de kortste weg. In de praktijk nemen ze in de atmosferische lucht vaak een gebogen weg i.p.v. een rechte lijn.
- Een derde reden waarom geluidsgolven in de atmosfeer kunnen afbuigen is door de wind. Geluidsgolven zijn immers mechanische golven van luchtdeeltjes en als deze luchtdeeltjes zelf al in grote massa verplaatst worden (door wind) zullen de geluidsgolven in die massa een bepaalde richting "uitwaaien".
Al deze dingen zijn aanwezig bij geluid na een blikseminslag en hebben meer of minder effect:
- Reflecties tegen andere oppervlakken zijn vooral belangrijk in bergachtige gebieden, waar de donder ook vaak extra sterk blijft naklinken: het geluid weerkaatst steeds heen en weer tussen verschillende bergflanken. Maar ook in wat vlakkere gebieden zijn er kan geluid tegen kleine en grote gebouwen weerkaatsen.
- Reflecties in eenzelfde medium spelen een grote rol bij donder: geluidsgolven "botsen" tegen luchtlagen met andere dichtheid en keren (deels) terug.
- Diffractie door obstakels speelt uiteraard steeds een rol: bomen, huizen, andere bouwwerken, etc. zorgen voor plots afbuigen van het geluid.
- Diffractie door verschillen in luchtdichtheid is ook een oorzaak voor het lang naklinken van donder.
- Diffractie door de wind ten slotte speelt ook een rol, zeker aangezien er bij een onweer doorgaans vele windstromingen betrokken zijn.
Ook deze effecten hebben tot gevolg dat geluid van een donder wat blijft nazinderen en ook blijft roffelen: het geluid kaatst immers (deels) heen en weer, wordt afgebogen, weerkaatst nog enkele keren, enzovoort. Uiteindelijk sterft het geluid ook weg doordat het geabsorbeerd wordt door de lucht zelf.
De reden dat donder van een blikseminslag dichtbij minder nazindert en roffelt, is tweeledig. Dat komt enerzijds doordat de geluidsgolven minder reflecties en diffracties kunnen ondergaan naarmate de afstand kleiner is en anderzijds doordat een donder van dichtbij een zodanig luide knal oplevert dat ons gehoor eventjes verdoofd wordt en het veel minder luid nazinder- en roffeleffect gemaskeerd wordt.
Hopelijk biedt dit lange verhaal een antwoord op jouw vraag.
Met vriendelijke groeten,
Pieter Schevenels
Reacties op dit antwoord
Enkel de vraagsteller en de wetenschapper kunnen reageren op een antwoord.
