Hoe was dat mogelijk?
Zoals je misschien weet, hangt de geluidssnelheid af van de temperatuur van de lucht. De volgende formule geeft voor lucht (bij heel goede benadering) het verband:v = 20.√T. Hierin is T de absolute temperatuur (in K).
Stel dat de temperatuur van de lucht op een zekere hoogte boven de grond plotseling hoger wordt, dan wordt ook de geluidssnelheid plotseling hoger. Dat geeft eenzelfde situatie als bij de breking van licht. Gaat een lichtstraal van een optisch dichte stof (lage lichtsnelheid) naar een optisch minder dichte stof (hogere lichtsnelheid) dan breekt het van de normaal af. En als de grenshoek wordt overschreden, kaatst het terug. Zo zal ook geluid, als het van een koude naar een warme luchtlaag gaat, van de normaal af breken.
In de figuur hierboven is een nogal onwerkelijke situatie getekend. Je ziet dat geluid breekt, omdat op 1000 m hoogte de geluidssnelheid plotseling toeneemt van 200 m/s naar 300 m/s. Als de hoek van inval meer is dan 42°, kaatst het geluid terug.
In onze atmosfeer neemt bij droge lucht de temperatuur af met 1 °C per 100 m stijging. Gevolg daarvan is dat geluidsstralen niet meer recht door de lucht gaan, maar naar boven toe gekromd worden.
In het Coachmodel (geluidsstralen,wind) kun je dit zelf door de computer laten narekenen. In het model wordt de loop van een geluidsstraal berekend, waarbij de geluidssnelheid en de richting van het geluid steeds aangepast wordt aan de temperatuur en de dan optredende breking. Gekozen is voor een temperatuursgradiënt (tempgrad in het model) van 0,01 °C per meter; dit komt overeen met 1 °C per 100 m. In de grafiek zie je hoe de temperatuur van de hoogte y afhangt. In de rechterfiguur zie je de geluidsstralen. Door breking zijn ze een beetje naar boven gekromd. Dat betekent dat je op de grond het geluid iets minder sterk zult horen.
Normaal neemt de temperatuur van de lucht naar boven toe af. Bij vochtige lucht is dat met 0,6 °C per 100 m en bij droge lucht is dat 1 °C per 100 m. Maar soms komen ook zogenaamde inversies voor. De temperatuur van de lucht gaat vanaf een bepaalde hoogte ineens sterk toenemen. In dat geval worden de geluidsstralen naar beneden gekromd. Het kan soms zo sterk zijn dat het geluid weer terugkaatst naar de aarde.
In de volgende grafieken zie je een inversie op 400 m hoogte. Vanaf 600 m hoogte daalt de temperatuur bij verdere stijging weer normaal.
De bovenste geluidsstraal die onder een hoek van 15 ° vertrekt uit de oorsprong breekt nog door de inversie heen. De stralen eronder (12°, 9 ° , 6° en 3° ) kaatsen alle terug op de inversie en komen weer op de grond.
Reynolds heeft in 1876 zijn onderzoek gedaan op een rivier met hoge oevers. (Hierbij moet je weten dat de geluidssnelheid in water véél hoger is dan die in lucht, zodat geluid gemakkelijk op water terugkaatst.) Boven de rivier was een sterke inversie. De oevers en het wateroppervlak kaatsten geluid terug en ook de inversie boven de rivier deed dat. Zo ontstond er als het ware een enorme spreekbuis.
