Как называется наука изучающая слонов
Африканские слоны сплетничают о людях: Исследователь наблюдала за слонами 50 лет и составила энциклопедию звуков и поведения
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Все началось с того, что исследователь Синтия Мосс, которая на тот момент была в самом начале пути по изучению самок африканских слонов, предложила студентке колледжа Джойс Пул последовать ее примеру, но заняться изучением не самок, а самцов. При этом Мосс пошутила, что самцы, мол, для неё слишком скучные. Пул быстро доказала обратное. Как выяснилось, их поведение невероятно интересно.
Сейчас Пул – исследователь National Geographic и один из мировых экспертов по поведению африканских слонов. Вместе со своим мужем она основала некоммерческую организацию ElephantVoices («Голоса слонов»), цель которой – рассказать людям о том, как общаются слоны и как важно их сохранить на нашей планете.
Тысячи вариантов поведения
Опираясь на данные и видеозаписи, накопленные за все эти годы в национальном заповеднике Амбосели, в Кении и в национальном парке Горонгоса в Мозамбике, супруги смогли создать этограмму африканского слона. Это самая полная из существующих в мире аудиовизуальная библиотека по поведению слонов. Она выложена в интернете и ознакомиться с ней может любой желающий.
Сейчас, когда Международный союз охраны природы включил африканских саванных и африканских лесных слонов в список видов, находящихся под угрозой исчезновения, этотограмма Джойс и ее мужа приобрела особенную ценность. На данный момент на Земле осталось 415 000 африканских слонов, и это очень мало, если учесть, что в 1950 году их насчитывалось примерно пять миллионов.
Как Джойс изучала слонов? Сначала она стала подмечать их особые позы и жесты, которые они издавали при произнесении тех или иных звуков, и записывать их на видео. Работать над этограммой африканских слонов супруги начали в 2017 году – только через 35 лет после начала наблюдения за этими животными. Из 2400 видеороликов поведения слонов супруги выбрали наиболее характерные примеры поведения и добавили к ним письменные описания.
Многолетняя работа Пул со слонами подтвердила, насколько умны, чутки и креативны эти гиганты.
Как общаются слоны
Для общения с себе подобными слоны используют самые разные вокализации – от мощного рева до низкочастотного грохота. Их звуки также включают фырканье, лай, ворчание, трубные звуки, крики и даже звуки имитации. Эти призывы являются важными сигналами для выживания семьи слонов.
– Слоны – прекрасные командные игроки, – сказала Пул. – чтобы выжить в природе, в противостоянии с такими «разумными хищниками», как люди, для семьи слонов важно, чтобы животные держались вместе и помогали друг другу. И, надо сказать, слоны развили сложную коммуникацию как часть этой командной работы.
Например, слон использует свое тело, чтобы указать собратьям направление, в котором он хочет идти. При этом он иногда поднимает ногу. А чтобы сказать другим «Пойдём», слон издает грохочущие звуки и хлопает ушами.
Вот наглядный пример общения семьи слонов, который был записан учеными на видео. У мамаши Корал есть новорожденный слоненок-самец, который во время пути отстает, отвлекаясь на изучение почвы. Другая слониха-мать пытается вести его за собой, но Корал не нравится ее вмешательство, и она возвращается, чтобы отогнать ее и забрать его. Она нежно тянет его за собой хоботом и воркует с ним. Как только он начинает двигаться в правильном направлении, она поворачивается и идет дальше. Младенец снова замолкает, и его старший брат, Кенки, мягко подталкивает его вперед.
Ключом к укреплению связи в семействе этих животных является приветствие. У слонов это целая церемония. Они издают приветственный рокот, высоко поднимая головы, энергично хлопая ушами, протягивая сородичам передние ноги и прикасаясь хоботами к членам семьи. При этом у них происходят выделения из височных желез, а также они мочатся и испражняются. А иногда слоны демонстрируют свое волнение по поводу того, что они снова вместе, лязгая бивнями и кружась, словно они делают пируэты.
– А еще я была поражена тому, сколько времени слоны тратят на размышления. Для большинства людей созерцающий слон выглядит так, будто он ничего не делает. Вот почему большинству людей интересно наблюдать за спариванием этих животных в дикой природе – тут слоны хоть как-то проявляют себя, – говорит исследователь. – Ведь в остальное время большинство слонов, даже счастливая пара, просто стоят и наблюдают за тем, что происходит вокруг. Самцы неподвижны, потому что ждут, когда начнет двигаться самка.
Джойс говорит, что для нее важно знать, что слоны говорят друг другу. Она доподлинно знает, что эти животные говорят действительно сложные вещи.
– Я предполагаю, что они много «говорят» о нас — о людях. И о том, как они должны на нас реагировать. В некоторых местах обитания слоны боятся людей из-за того, что те с ними сделали. Например, в Горонгосе из-за длительной гражданской войны с 1972 по 1992 годов слоны стали очень пугливы и агрессивны по отношению к человеку.
Исследователь рассказала, что в Горонгосе слоны время от времени издавали своеобразный зов, которого она никогда раньше не слышала. Он был очень низким по частоте, плоским и пульсирующим.
– Таким образом слон предупреждал своих сородичей о том, что мы опасны. И вообще, слоны всегда испытывают большой стресс из-за того, что им все время приходится нас слышать и следить за нами, – говорит исследователь.
Африканские саваннские слоны – один из самых социально сложных видов (помимо человека) на нашей планете, но их жизнь и поведение все больше зависят от людей. Этограмма слона включает редкое, новое и своеобразное поведение этих животных, а также те виды поведения, которые ими приобретаются в результате социального обучения в ответ на быстро растущие антропогенные угрозы.
Библиотека Пул и ее мужа включает в себя не только понятые и типичные модели поведения, но и новые, необычные, которые исследователи слонов пока не могут объяснить. Например, они пока не могут расшифровать своеобразный «писк», издаваемый слонами.
Слоны, как известно, животные не робкие. Они сторонятся людей в дикой природе, но иногда сами приходят к человеку. Пример тому – статья про города, которые постоянно атакуют дикие животные.
Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:
Удивительные гиганты: все про слонов
Слоны — это древние величественные животные, с которыми связано множество историй и легенд, а в некоторых странах им даже поклоняются. Они ассоциируются с мудростью и знанием, умом и спокойствием. Именно поэтому о слонах хочется узнать как можно больше.
Кто такой слон
Слон — это представитель класса млекопитающих, который отличается большим весом, имеет длинный хобот и бивни.
Описание
Слон является самым крупным сухопутным млекопитающим, вес его в среднем составляет от трех до двенадцати тонн (самые крупные проживают на африканском континенте). Рост животного может достигать четырех метров. Кожа очень грубая и морщинистая, цвет ее может быть различным: от светло-серого до бурого. Детеныши рождаются с длинной грубой щетиной, но тело взрослой особи почти гладкое.
На крупной голове зверя расположены большие уши. Огромный их размер обусловлен в первую очередь их функцией — они выполняют роль веера: обмахиваясь ими, животные охлаждает тело.
Ноги имеют специфичное строение: в каждой имеется две коленные чашечки. Такое строение скелета лишило животное способности к прыжку, зато они имеют возможность бесшумно передвигаться из-за толстой жировой прослойки в стопе.
Самая примечательная часть тела — это хобот, который представляет собой нос и часть верхней губы. Хобот выполняет различные функции: еда, обоняние, общение с собратьями, защита. С помощью хобота исполины воспитывают своих детенышей. Орган состоит из мышечной ткани, поэтому он гибкий и сильный.
Бивни животного растут на протяжении всей его жизни, поэтому их длина напрямую зависит от возраста зверя.
Происхождение
Специалисты считают, что у современных гигантов имеется несколько предков. Один из них — меритерий. Это млекопитающее среднего размера, имеющее большой нос, обитающее в эпоху палеолита на берегах Нила и на территории современного Египта.
Другой древний представитель слоновьих — Palaeoloxodon antiquus. Эти существа обитали на территории современной Южной Америки и Северной Европы и отличались огромным размером: их рост мог достигать пяти метров.
Самым молодым предком современного гиганта является мамонт. Их изображения специалисты находили на скалах. По мнению ученых, мамонты вымерли относительно недавно — около 15 000 лет назад.
Эволюция вида
Эволюция хоботных является сложным вопросом, изучением которого ученые занимаются по сей день.
По версии специалистов, современные гиганты имеют две ветви развития, которые изначально шли параллельно друг другу. Миретерий — животное, напоминающее свинью, — считается древнейшим представителем одной ветви развития. Представители другой — прямобивневые лесные слоны.
Потомки миретерия обитали по большей части на болотах и мелких водоемах. Необходимость добывать пищу и пить воду вызвало постепенное изменение в строении тела животных.
Анализ генома показал, что предками гигантов являются представители потомков и миретерия, и лесных слонов. По-видимому, миграции зверей по континентам привели к возможности спаривания видов, чем и обусловлена эволюция слоновьих.
Для чего нужен хобот
Хобот является специфическим органом представителей отряда слоновьих.
Он имеет множество функций:
Виды слонов
К настоящему времени сохранилось всего два вида представителей слоновьих: это африканские и индийские слоны.
Африканские, как понятно из названия, обитают на африканском континенте. Этот вид подразделяется в зависимости от среды обитания на два: саванные и тропические (лесные).
Индийских можно повстречать на острове Шри-Ланка, в Индии, Бангладеше.
Интересно, что несмотря на принадлежность к одному виду, нравы индийских и африканских слонов сильно отличаются, и скрещивание их невозможно.
Жизнедеятельность
Исполины — довольно миролюбивые существа, особенно если не нарушать их среду обитания. Обитают они стаями, примечательно, что возглавляет ее самка, взрослые самцы живут самостоятельно.
Обитание
В зависимости от вида могут проживать в различных лесах: низкорослых саванных или густых тропических. В засушливое время года могут обитать в поймах рек, они прекрасные пловцы.
В пищу употребляют все части деревьев: от коры до листьев, аппетит у них отменный. Для нормального существования животному необходимо ежедневно употреблять около 16 килограммов пищи. Кроме деревьев, годятся другие растения, травы и кустарники.
Слониха-лидер запоминает путь к водопою и пище, знает безопасные от хищников пути и места укрытия. Иногда стадо возглавляет и семья главной слонихи, но в любом случае матриархат — главная черта слоновьих стай.
Сколько живут
Продолжительность жизни исполинов зависит от множества факторов, но в среднем составляет около 70 лет. Удивительно, но имеется прямая взаимосвязь между наличием зубов у зверя и годами его жизни. Слонята рождаются беззубыми, но вскоре зубы у них прорезаются.
В течение жизни зубные ряды меняются несколько раз, последний — приблизительно в сорокалетнем возрасте. О скорой гибели гиганта говорит отсутствие или очень плохое состояние его челюсти.
Размеры и вес
Вес новорожденного слоненка составляет примерно 90 кг, рост около одного метра. После рождения детеныши начинают стремительно набирать вес, и уже к месяцу вес слоненка может достигать ста килограммов.
Вес взрослой особи может достигать 7,5 тонн, причем африканский слон гораздо крупнее своего индийского собрата. Рост его составляет в среднем 3—4 метра. Самки несколько меньше самцов, рост их обычно не превышает трех метров, а вес составляет около трех тонн. При этом внешне самки и самцы значительно не отличаются.
Питание
Слоны относятся к травоядным животным. В пищу они употребляют множество видов растений: кору деревьев, их листья, кустарники, множество трав и фруктов. В день взрослый слон выпивает около 200 литров воды.
Основным инструментом для добычи пищи является хобот, его же гигант использует для питья.
Размножение
Размножение не связано с каким-либо определенным периодом и происходит естественным образом. Однако большинство отелов происходит в сезон дождей, а во времена засухи спаривания почти отсутствуют.
Самцы ищут самок, находящихся в радиусе нескольких километрах, а те в свою очередь привлекают их специфическим криком. Период эструса (течки) занимает около 48 часов, часто перед спариванием самец и самка уединяются, отделившись от стада.
Сколько длится беременность
Вынашивание длится 20—22 месяца. Чаще всего рождается один развитый слоненок весом до 100 кг. Роды происходят вдали от стада. Удивительно, но у исполинов есть акушерка, которая сопровождает будущую маму. В дальнейшем ухаживать за слоненком помогают молодые самки, грудное вскармливание продолжается до полутора лет.
Правда ли боятся мышей
Происхождение мифа о том, что слоны боятся мышей, неизвестно, однако многие полагают, что это именно так. Даже есть теории о том, чем именно маленькая мышь может напугать четырехметрового исполина: звереныш может проникнуть в хобот и нанести вред гиганту.
Теоретически это может произойти, но слону не составит труда немедленно ее оттуда выдуть. При этом опыты, проведенные зоологами, доказывают, что в действительности вид мыши доставляет гиганту неприятные ощущения. Но оказалось, что неприязнь вызывает не сам мышиный вид, а быстрые движения, которые она осуществляет. Те же негативные эмоции исполин испытывает при виде кошки или хорька.
Интересные факты
Слоны являются древнейшими и очень интересными существами.
Вот несколько интересных фактов о них:
Биологическая ценность
Слоны являются умными и эмоциональными животными. В настоящее время эволюция всех видов слоновьих закончена, а скрещивание видов между собой невозможно.
В естественной среде обитания гиганты выполняют роль садовников, а также семена некоторых растений могут произрастать только после прохождения через пищеварительный тракт животного.
Слишком разумные: почему слоны ведут себя как люди
МОСКВА, 12 авг — РИА Новости, Татьяна Пичугина. Люди и слоны сосуществуют многие десятки тысяч лет. Из-за изменения климата и интенсивного истребления эти большие, умные животные сохранились только в Африке и Азии. Некоторые особенности их поведения — например, почтительное отношение к умершим сородичам, уникальны. От кого произошли слоны и почему они внушают людям уважение — в материале РИА Новости.
Способны на искренние чувства
Старая Элеанора внезапно упала. Шедший рядом товарищ попытался поднять ее, но она не могла уже держаться на ногах и на следующий день умерла. Траур длился почти неделю.
Это произошло в октябре 2003 года в национальном парке Самбуру в Кении среди обитавших там слонов. Ученые, наблюдавшие за животными с воздуха и через GPS, отмечали, что первым на помощь к упавшей слонихе пришел совершенно чужой слон. Ее собственная семья находилась в двух километрах от этого места. В течение нескольких дней умершую навещали близкие родственники и члены других стад, обнюхивали, трогали.
Взаимопомощь характерна для слонов. Ученые полагают, что это служит доказательством их разумности. Считается, что слоны понимают сородичей, переживают за них. Себя, кстати, они тоже осознают.
Ученые проводят такой тест: ставят зеркало и позволяют животным туда смотреть, затем рисуют отметины на морде, и если особь, увидев себя в зеркале, старается тронуть эту отметину, значит, он или она себя узнали. Слоны этот тест проходят успешно. Кроме них, на это способны только человекообразные обезьяны и люди.
Отличные память и слух
Многое в слонах удивляет. Например, хорошая долгосрочная память, умение хранить много информации. Вероятно, эти качества слоны развили из-за необходимости путешествовать семьями на длительные расстояния. Их стада перемещаются на шестьсот километров.
У слонов прекрасно развит слух. Они распознают зов на расстоянии полутора километра. Причем различают до ста разных голосов сородичей по малейшим акустическим вибрациям.
По пахучим меткам слоны идентифицируют другую особь, даже если последний раз ее встречали десятки лет назад. Самцы изучают мочу самок с помощью флемена — характерного втягивания жидкости губами. Взятая проба отправляется в вомероназальный орган, где анализируется. Половозрелые слоны помнят запах матери десятки лет и таким образом избегают близкородственного скрещивания.
При необходимости слоны используют орудия труда. Еще Дарвин описывал, как они отгоняют ветками мух. Чешутся палками, кидают камни в грызунов, конкурируя с ними за фрукты под деревьями. А вот подхватить кинутую им через мост веревку, чтобы взять еду, не могут. Не догадываются взять палку, чтобы сбить с платформы еду, если не получается достать ее хоботом. В целом по когнитивным способностям слоны явно уступают шимпанзе и людям. У них не очень хорошее бинокулярное зрение и, по видимому, невысокая зоркость.
Зато слоны живут семьями почти как мы. Стада образуют только самки разного возраста, которые совместно воспитывают детенышей. Половозрелые самцы изгоняются из семьи и живут самостоятельно либо сбиваются в мужские группы.
Да и сами ученые подвержены этому: они придумали целую науку, изучающую взаимоотношение людей и слонов, — этноэлефантологию.
Дети моря
Благодаря расшифровке ДНК и успехам палеонтологии удалось выяснить эволюцию слоноообразных. Около двадцати миллионов лет назад они проникли из Африки в Евразию. Мамонты, мастодонты и их «лысые» родственники широко расселились по миру, включая Северную и Южную Америку, острова Тихого океана. Древние слоны жили в Сибири и на Северном Кавказе.
Примерно шесть тысяч лет назад появились азиатские слоны — сейчас это самый древний вид слоновых, сохранившийся на Земле.
Приспособленные для жизни в холоде мастодонты и шерстистые мамонты вымерли с окончанием ледникового периода. О том, что послужило тому причиной, — изменение климата, болезни или активная охота наших предков, ученые спорят.
Слоны сохранились в Африке, откуда вновь расселились по Азии. Есть версия, что африканский климат был более стабильным, а традиционные общества тысячи лет вполне успешно сосуществовали с местной мегафауной.
У слонов самый крупный мозг и кора головного мозга среди сухопутных животных. То, что они хуже соображают, чем шимпанзе и люди, долгое время представляло собой парадокс. Когда же мозг слона изучили с помощью томографии, выяснилось, что плотность нейронов в коре ниже, а значит, сигнал между клетками мозга идет дольше.
Возможно, дело в питании. Люди и обезьяны едят много белковой, высококалорийной пищи и могут быстро получить заряд энергии. Слоны больше половины времени проводят в поисках и потреблении малокалорийной растительной пищи. Отсюда потребность в развитой долгосрочной памяти, чтобы запоминать маршруты.
Особенности мозга также подтверждают давно известную в палеонтологии гипотезу о том, что сухопутные слоны произошли от далеких морских предков.
Физика звука
Акустика — это раздел физики, изучающий возбуждение, распространение, прием звуковых волн, а также их взаимодействие со средой. Особенностью звуковых волн, отличающих их от электромагнитных или гравитационных, является то, что они могут распространяться только в сплошной упругой среде. Звук окружает нас повсюду: в атмосфере, под водой, под землей, в биологических средах и материалах и даже в космосе. Только звук может распространяться в земных структурах и под водой без существенного затухания, поэтому он широко используется в исследованиях природных сред.
Обычно мы называем звуком то, что мы слышим. Принято считать, что диапазон частот слышимого нами звука лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Это соответствует 20–20 000 колебаний в секунду. Звуковые волны, частота колебаний которых выходит за этот диапазон, получили свои специальные названия.
Ультразвуком называют звуковые волны, частота колебаний которых выше 20 кГц. Технологически развитый диапазон применения ультразвука лежит в пределах от 20 кГц до 100 МГц. Более высокочастотная область ультразвука получила название гиперзвук. Звуковые волны гиперзвуковых частот могут распространяться только в кристаллах с малым поглощением звука, таких, как монокристаллы кварца, сапфира, ниобата лития, железо-иттриевого граната и др. Гиперзвук используется при обработке больших массивов информации, в том числе оптических изображений, и исследовании строения твердых тел. Этим занимается наука акустоэлектроника. Диапазон, в котором гиперзвук возбуждается искусственным, контролируемым образом, ограничивается частотами порядка 10 ГГЦ, что связано с высоким затуханием. При столь высоких частотах длина волны такого звука будет уже соизмеримой с межатомным расстоянием в кристалле. В таком случае мы уже не можем считать кристалл сплошной средой.
Звуковые волны, частота которых ниже 20 Гц, называют инфразвуком. Затухание инфразвука невелико, и поэтому инфразвуковые волны активно используются для исследования океана и структуры земли. Звуки взрывов вулканов могут обогнуть весь земной шар, низкочастотный подводный звук распространяется через океаны на тысячи километров.
Далее мы обсудим современные идеи и новые акустические технологии исследования и освоения окружающего мира. Часто акустические методы не имеют альтернативы и поэтому оказываются наиболее эффективными для решения той или иной важной задачи.
Звук и инфразвук в исследовании природы
Объяснение этому интересному эффекту дал Л. М. Бреховских — впоследствии академик и лауреат Государственной премии СССР. Он обратил внимание на то, что температура воды быстро падает до глубины 100–200 м, а затем принимает постоянное значение около 4°C. Падение температуры приводит к уменьшению скорости распространения звука, а рост давления с глубиной приводит к увеличению этой скорости. Таким образом, в зависимости скорости распространения звука от глубины оказывается минимум, в котором и концентрируется акустическая энергия. На рисунке 1 видно, что если поместить излучатель на уровень минимума скорости звука, то звуковые лучи, выходящие из излучателя, в результате рефракции будут удерживаться вблизи этого минимума. В итоге часть звуковых лучей, вышедших из источника под не очень крутыми углами, остаются при распространении в слое толщиной в несколько сот метров. Такой слой представляет собой подводный акустический волновод, или подводный звуковой канал.
Рис. 1. Схематическое изображение распространения сигнала в подводном звуковом канале. Слева — профиль скорости звука в зависимости от глубины. Источник и приемник звука расположены на оси канала, соответствующей минимальной скорости звука. Лучи в результате рефракции звука совершают циклические осцилляции. Цифры над лучами указывают угол выхода луча из источника. В нижней части рисунка показаны две серии осциллограмм зарегистрированных сигналов, отличающихся температурными условиями в приповерхностной части канала
Стоит отметить, что эффект акустического волновода использовался средневековыми мастерами при создании «шепчущих» галерей. Такие галереи имеют кривые или замкнутые стены. Если вы вблизи такой стены говорите шепотом, то звуковые лучи концентрируются около нее и на расстоянии в несколько десятков метров можно отчетливо слышать ваш шепот, находясь также около стены. Такие шепчущие галереи есть в соборах Святого Павла в Лондоне и Святого Петра в Риме, в Храме Неба под Пекином и, возможно, где-то еще.
Характер распространения звука в акустическом волноводе аналогичен распространению лазерного излучения в оптическом волноводе. В настоящее время особенности распространения звука в подводном акустическом волноводе используются для термометрии океана.
Океан можно рассматривать как гигантский, занимающий огромную площадь термометр. Следя за изменениями температуры глубинных слоев океана, можно следить за потеплением климата. Дело в том, что масштабные климатические изменения надежно определить чрезвычайно трудно из-за больших флуктуаций во времени и пространстве. Огромные массы воды в океане усредняют эти флуктуации. Определить среднюю температуру глубинных слоев океана на масштабах в несколько тысяч километров можно только акустическими методами, электромагнитные волны в морской воде не распространяются на заметное расстояние.
Скорость распространения звука увеличивается с ростом температуры. На рисунке 1 внизу показаны две серии зарегистрированных акустических импульсов, отличающихся тем, что во второй серии верхние слои океана имели несколько более высокую температуру, чем в первой. Как видно, сигналы, распространяющиеся по красному лучу, который максимально близко подходит к нагретой поверхности океана, приходят несколько раньше, чем сигналы, распространяющиеся по другим лучам. Для дистанции 250 км эти изменения во времени распространения могут составлять доли секунды. По другим лучам изменений во времени распространения нет. Таким образом, из такого опыта можно узнать, на сколько градусов и на какую глубину прогрелась вода в океане. Ясно, что чем больше дистанция распространения звука, тем выше чувствительность этого метода. Звук пробегает 250 км в океане за 167 с, что соответствует скорости распространения около 1500 м/с. Заметим, что первыми приходят наиболее быстрые сигналы, распространяющиеся по наиболее крутым лучам, лежащим в слоях океана с большей скоростью распространения. А наиболее интенсивные сигналы приходят последними по пологим лучам, находящимся в окрестности оси подводного звукового канала, где скорость распространения минимальна.
Такая особенность распространения звука используется для дистанционного мониторинга теплопереноса в океане, что важно для прогнозирования климата. Океан формирует погоду на земле. Северный Ледовитый океан является кухней погоды для Европы и существенной части Азии. Распределенная по всему океану система излучателей и приемников звука может решать самые разнообразные задачи. Среди них можно выделить измерение времени распространения сигналов на протяженных трассах для определения содержания тепла и циркуляции океанических вод как на масштабах всего океана, так и в отдельных его частях; обеспечение подводного позиционирования и навигации подо льдом; мониторинг динамики льда, землетрясений и перемещения морских животных при пассивном прослушивании акватории океана. Все эти процедуры система может выполнять в реальном времени.
Исследование атмосферы. Распространение звука в атмосфере подчиняется тем же самым законам, что и распространение звука в океане, с той разницей, что скорость распространения звука в воздухе в нормальных условиях у поверхности земли составляет 340 м/с. Это существенно меньше скорости звука в воде.
На рисунке 2 представлена схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере. Как видно, в присутствии ветра лучи по-разному ведут себя в зависимости от направления распространения. Поток воздуха увеличивает скорость распространения звука по ветру и несколько снижает ее в противоположном направлении. Как правило, приземный поток воздуха или ветер увеличивает свою скорость с высотой. Скорость распространения звука по ветру на большой высоте больше, чем у земли, поэтому фронт звуковой волны при подъеме вверх заворачивается и волна направляется вниз, где скорость меньше. Возникает рефракция звука. Благодаря этому в приповерхностном слое атмосферы образуется звуковой волновод, в котором концентрируется звук, и на поверхности земли можно регистрировать акустические сигналы, которые распространялись на высоте в несколько десятков километров. Эффект рефракции при распространении против ветра приводит к тому, что звук быстро уходит на большую высоту (десятки километров). Поэтому мы плохо слышим против ветра и хорошо по ветру.
Рис. 2. Схема звуковых лучей, выходящих из источника звука в атмосфере в присутствии ветра
Приземный звуковой волновод может образоваться не только в результате ветра. В тихий безветренный морозный день где-то за городом можно далеко слышать лай собак или шум машины. В такую погоду в приземной атмосфере возможна так называемая температурная инверсия. Обычно температура воздуха понижается с высотой, но в морозный день температура у поверхности земли, особенно в низине, может быть ниже, чем на некоторой высоте. Минимальная температура в приземном слое воздуха соответствует минимуму скорости распространения звука. Таким образом, температурная инверсия обеспечивает волноводное распространение звука у поверхности земли.
На рисунке 3 показано распределение температуры с высотой в атмосфере. Как видно, эта характеристика, как и в океане, имеет слоистую структуру. В областях нижней границы стратосферы (тропопауза) и нижней границы термосферы (мезопауза) температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь выполняются условия для существования атмосферных звуковых каналов. Звуковые волны от извержений вулканов или наземных взрывов распространяются по этим каналам на огромные расстояния и даже могут обогнуть Земной шар. Поэтому средняя атмосфера (от 20 до 120 км высоты) является хорошим проводником инфразвука. Это свойство атмосферы позволило ученым разработать методику инфразвукового зондирования атмосферы, базирующейся на явлении рассеяния акустических импульсов на слоистых неоднородностях скорости ветра и температуры атмосферы вплоть до высот нижней термосферы порядка 140 км. С помощью такой методики можно определить флуктуации скорости ветра в диапазоне высот от верхней стратосферы до нижней термосферы (90–140 км).
Рис. 3. Стратификация температуры в атмосфере. Изменение давления показано в гектапаскалях (1 гПа = 100 Па). В областях тропопаузы и мезопаузы температура, а следовательно, и скорость распространения звука достигают минимума. Здесь находятся атмосферные звуковые каналы
Сейсмические волны в земле. Аналогичным образом распространяются сейсмические волны в земле. Они могут быть как естественного происхождения, так и искусственные. В качестве естественных источников сейсмических волн мы можем назвать землетрясения, извержения вулканов, горные обвалы. Искусственным образом сейсмические волны возбуждаются наиболее эффективно взрывом или специальными многотонными вибраторами. Если в океане и атмосфере распространяются только продольные звуковые волны (в жидкостях и газах отсутствует сдвиговая упругость), то сейсмические волны могут быть как продольные, так и поперечные. Поперечные волны, в зависимости от плоскости колебаний, могут иметь разную поляризацию. Скорость распространения поперечных волн, как правило, в 2–3 раза меньше скорости распространения продольных. Наличие сейсмических волн двух типов расширяет возможности сейсмического зондирования в сравнении с зондированием океана или атмосферы.
Центральной задачей сейсмического зондирования является исследование структуры земли и поиск полезных ископаемых. Обе эти задачи требуют выполнения противоречивых подходов. С одной стороны, интересно заглянуть как можно глубже под поверхность земли. Этого можно достичь, понижая частоту сейсмического излучения. С понижением частоты снижаются потери, связанные с затуханием, и звуковые волны распространяются дальше. С другой стороны, уменьшение частоты ведет к росту длины излучаемой волны, а это снижает разрешающую способность дистанционного метода зондирования. Всё возрастающие требования к качеству разведки полезных ископаемых заставляют искать способы повышения разрешающей способности, а следовательно, и точности сейсморазведки.
Разрешить возникшее противоречие удалось за счет развития методов приема сейсмических сигналов. Известно, что чем больше приемная антенна, тем выше ее пространственное разрешение. Если принимать сигналы большим количеством приемников, объединенных в единую сеть, то можно повысить пространственную точность дистанционного зондирования. Но для этого требуется сложная обработка сигналов от многих сотен или даже тысяч приемников. Современная сейсморазведка обеспечивает достаточную точность зондирования, чтобы определить продуктивные залежи полезных ископаемых, например нефти или газа, на глубинах более 10 км. Современные технологии обеспечивают прохождение скважины горизонтально вдоль пласта, чтобы повысить эффективность добычи нефти. Толщина пласта составляет порядка 10 м на глубине несколько километров. При этом длина скважины может быть более 10 км. Точность прокладки скважины соизмерима с точностью выведения ракеты на траекторию к межпланетному полету.
Рис. 4. Вертикальный сейсмический разрез строения верхних слоев земли
Для зондирования структур земли используют естественные низкочастотные сейсмические сигналы от землетрясений или даже приливных волн, вызванных движением Луны. На рисунке 4 показан пример результатов такого зондирования на глубину более 50 км. Он свидетельствует о том, что в структуре земли есть не только горизонтальные слои, но и крупные вертикальные разломы, которые могут доходить до мантии.
Знание особенностей распространения низкочастотного звука в океане, атмосфере и земле позволило разработать и создать эффективную международную систему контроля за выполнением договора о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Существует специальная схема расположения станций на земле и в океане, осуществляющих постоянный мониторинг и регистрирующих сейсмические, гидроакустические и инфразвуковые сигналы в атмосфере. Эти станции объединены в общую сеть и поэтому могут определить место и время события, приведшего к появлению того или иного сигнала.
Примером такой эффективности является обнаружение взрыва метеороида в небе над Челябинском 15 февраля 2013 года. Метеороид вошел в атмосферу под углом 20° со скоростью 18 км/с. По мере полета в атмосфере скорость метеороида уменьшалась и происходил его нагрев. Перед ним возникла ударная волна, в которой воздух был сильно сжат и разогрет. Метеороид разрушился, когда разность давлений на фронте ударной волны и на противоположной его стороне превысила предел прочности метеороида. Это разрушение (взрыв) сопровождалось вспышкой яркости излучения в течение пяти секунд. Максимум яркости наблюдался на высоте 23,3 км южнее Челябинска. Примерный эффективный диаметр метеороида равен 18 м, а его масса 11 000 тонн. Семнадцать станций зарегистрировали ударную волну этого взрыва. Последующий анализ позволил оценить эквивалент мощности взрыва в 2–3 кт тринитротолуола.
Современные проблемы применения медицинского ультразвука
Ультразвук мегагерцового диапазона частот достаточно хорошо распространяется в биологических тканях. Как известно, живые организмы почти на 90% состоят из воды. Поэтому скорость распространения звука в таких условиях близка к 1500 м/с, что соответствует скорости распространения звука в воде. Длина волны ультразвука на частоте 1 МГЦ равна при этом 1,5 мм, что обеспечивает достаточно высокое пространственное разрешение ультразвуковых методов.
Хорошо известно применение ультразвука в медицине для диагностики и исследования внутренних органов и суставов (УЗИ). Менее известны успехи в области ультразвуковой хирургии, хотя и здесь есть существенные результаты. Прежде всего это дробление и удаление камней из почек с помощью фокусированного воздействия ударными волнами — так называемая литотрипсия. Начиная с 1980-х годов литотрипсия является наиболее распространенной процедурой для удаления камней из почек. Другим быстро развивающимся направлением исследований является терапевтическое направление применения ультразвука, основное преимущество которого — лечебное воздействие внутри тела без повреждения окружающей ткани. Широкие возможности различных видов ультразвуковой терапии были продемонстрированы экспериментально, а некоторые из них уже нашли применение в клинической практике. Одним из примеров является интенсивный фокусированный ультразвук.
Рисунок 5 иллюстрирует основную идею применения фокусированного ультразвука. Акустическая интенсивность вблизи излучающего преобразователя достаточно низка, так что ткани не повреждаются. В фокальной области интенсивность заметно возрастает, и нагрев за счет поглощения волны достаточен для теплового разрушения белков ткани. Это позволяет неинвазивно «прижечь» место внутреннего кровотечения или вызвать некроз опухолевых тканей в глубоко расположенных областях человеческого тела. Наиболее перспективными, с точки зрения расширения применения ультразвуковых методов в медицине, являются гемостазис (остановка кровотечения), хирургия и стимуляция иммунного отклика. Можно также упомянуть ультразвуковой контроль и интенсификацию транспорта лекарств. Экспериментально было показано, что ультразвук может улучшать транспорт лекарств и генов через биологические барьеры: клетки, ткани и тромбы.
Рис. 5. Схема ультразвукового воздействия на биологические ткани. Пучок интенсивного фокусированного ультразвука используется для локализованного разрушения опухоли или остановки внутреннего кровотечения без повреждения окружающей ткани. Акустическая энергия, излучаемая ультразвуковым преобразователем, концентрируется в объем, примерно равный объему рисового зерна
Укажем на некоторые основные проблемы, которые нуждаются в решении для успешного применения интенсивного ультразвука в практике.
Одной из важных задач является получение больших значений амплитуды акустической волны в фокусе с учетом структуры человеческого тела. Усиление ультразвуковой волны при фокусировке необходимо для обеспечения высокой интенсивности в небольшой фокальной области, чтобы не повредить остальные участки ткани на пути распространения ультразвука. Ультразвуковой ожог кожи является одним из характерных побочных эффектов при применении интенсивного ультразвука, поскольку в коже коэффициент поглощения ультразвука в несколько раз выше, чем в ткани. Поэтому на этом участке акустическая интенсивность должна быть как можно более низкой. Такую процедуру возможно реализовать, применяя многоэлементные ультразвуковые антенны, излучение которых будет согласовано со структурой тела, по которой должно пройти излучение.
Важными также являются технические разработки по созданию хорошего акустического согласования ультразвукового излучателя с телом. Дело в том, что ультразвуковые излучатели делаются, как правило, из пьезоэлектрической керамики. И для того чтобы обеспечить наилучшую передачу звуковой энергии в человеческое тело, нужно согласовать условия прохождения звука от твердой пьезокерамики к мягким биологическим тканям. Для этого применяют специальные контактные смазки или жидкости. Например, по сравнению с вогнутыми источниками плоские УЗ преобразователи гораздо труднее сделать фокусирующими, но зато для них легче обеспечить согласование при непосредственном контакте с кожей. Поглощение в костях еще сильнее, вот почему важно минимизировать попадание на них ультразвука. Соответствующая технология предполагает использование многоэлементных фазированных антенн для осуществления электронной фокусировки. На рисунке 6 показано схематическое изображение такой антенны для фокусировки ультразвукового излучения в мозг через кости черепа.
Рис. 6. Схема ультразвукового транскраниального воздействия на мозг
Мозг является тем органом, где применение терапии с использованием фокусированного ультразвука имеет свои особенности. Принципиальной трудностью здесь является тот факт, что ультразвуковые волны плохо проходят сквозь черепную коробку из-за поглощения в кости и отражения на ее границах. Кроме того, кости черепа неоднородны по толщине и характеризуются более высокой (по сравнению с расположенными за ними мягкими тканями) скоростью звука, что приводит к трудно предсказуемым эффектам рефракции. Решение проблемы ультразвукового воздействия и визуализации через толстые кости черепа возможно при использовании разработанных в последнее время методов волновой физики, связанных с компенсацией потерь и аберраций при распространении волн в неоднородной среде. В основе лежит голографический принцип, согласно которому распределение характеристик волнового поля на некоторой поверхности в этом поле содержит информацию о всей трехмерной структуре поля, а также принцип обратимости недиссипативных волновых процессов во времени и связанный с этим метод обращения волнового фронта.
Метод обращения волнового фронта, применяемый в радиолокации и при исследовании структуры подводных акустических каналов в океане, предполагает использование пробной волны, которая, проходя по неоднородной среде, регистрируется многоэлементной антенной. Зарегистрированный сигнал имеет сложную пространственную и временную структуру, что отражает многолучевое распространение через неоднородную среду. Если на антенне обратить во времени фазовые задержки зарегистрированного сигнала и излучить сигнал с такой сложной пространственно-временной фазовой модуляцией, то излученный сигнал, проходя в обратном порядке через те же самые неоднородности среды, соберется, т.е. сфокусируется в точку излучения пробного сигнала. Для реализации такого подхода необходимо использовать многоэлементные приемоизлучающие антенны, управляемые мощными вычислительными процессорами, обеспечивающими в реальном времени сложную многоканальную обработку сигналов.