Поющие пески

ПОЮЩИЕ ПЕСКИ


"Песня песков, песня сирен, заманивающих путешественников на верную гибель в безводной пустыне, колокольный звон монастырей, погребенных в пучине песков..." - так описывает свои впечатления английский исследователь Р. А. Бэгноулд - автор первой книги о поющих песках, вышедшей в свет в 1954 году. Кочевники, которым приходилось слышать эти таинственные звуки, считали их голосами призраков и демонов, обитающих в песчаных дюнах. И хотя сегодня известно, что акустические колебания возникают в результате движения слоев песка, полностью объяснить это явление так до сих пор и не удалось.

Различают два вида звучащих песков - "гудящие" и "свистящие", которые отличаются частотой и длительностью испускаемого звука, а также условиями, необходимыми для его возникновения.

Наиболее распространены "свистящие", или "пищащие", пески, названные так из-за способности издавать короткие, длящиеся менее четверти секунды, звуки высокой частоты - от 500 до 2500 Гц. Прогуливаясь по такому песку, можно услышать под ногами легкое посвистывание. Звук отличается музыкальной чистотой и может содержать пять-шесть гармонических обертонов. Встречаются свистящие пески на морских побережьях, на берегах рек и озерпо всему миру.

Акустический спектр гудящих песков очень узок: они издают звук почти одной частоты, который длится, замирая и усиливаясь, несколько секунд.

Звуки "свистящих" песков имеют несколько кратных частот (обертонов) и длятся порядка четверти секунды.

Более редким и уникальным явлением считаются "гудящие" пески. Услышать их можно только глубоко в пустыне вблизи отдельных больших дюн. Осыпаясь лавинами, такие пески издают громкий звук низкой частоты (50-300 Гц), длящийся обычно несколько секунд, но иногда и до 15 минут. Звук может достигать такой силы, что разносится на 10 километров, и нередко сопровождается вибрациями почвы (сейсмическими толчками), во много раз более интенсивными, чем звуковые колебания. В отличие от свистов звучание гудящих дюн кроме основной частоты содержит множество близких частот. При этом никогда не встречается более одной гармоники основного тона.

В течение столетий этот "гул" вызывал суеверный ужас у жителей пустыни, порождая массу легенд и сказаний. Так, Марко Поло в 1295 году писал о злых духах пустыни, которые "временами наполняют воздух звуками всевозможных музыкальных инструментов, бьют в барабаны и хлопают в ладоши". Звучание гудящих песков порой напоминает барабанную дробь, иногда звуки трубы, арфы и даже колоколов. Сегодня его нередко сравнивают с жужжанием телеграфных проводов или пропеллеров низко летящего самолета. В настоящее время известно более 30 гудящих дюн в Северной и Южной Америке, Африке, Азии, на Арабском полуострове и на Гавайских островах. Но чтобы услышать гудящие пески, необязательно ехать в дальние страны. Нужно иметь компьютер со звуковой картой и с доступом в Интернет. "Песни пустынь" записаны по адресу http://www.yo.rim.or.jp/~smiwa/sound/badaja.html

То обстоятельство, что свистящие пески встречаются в основном на побережьях, а гудящие - только глубоко в пустынях, связано, по-видимому, с их различной реакцией на влажность.

Чтобы песок "загудел", необходимо как минимум несколько недель засухи: песчинки должны быть абсолютно сухими. Даже при небольшой атмосферной влажности на их поверхности образуется тонкая пленка воды, препятствующая звучанию, а пятью каплями воды можно заставить "замолчать" целый литр гудящего песка. Свист также возникает только в сухом песке. Однако для лучшего звучания просто необходимо периодическое промывание свистящего песка водой. Иногда с его помощью даже удается "оживить" песок, почему-либо утративший способность издавать звуки. Возможно, это связано с тем, что вода вымывает из песка загрязнения, а сам он становится более рыхлым. Во всяком случае свистящие пески редко простираются в глубь побережья более чем на 30 метров.

Очевидно, что акустические колебания порождает взаимодействие больших объемов песка. А имеют ли какие-то особые свойства отдельные "звучащие" песчинки?

Средний диаметр частиц любого песка примерно 0,3 мм. Замечено, что для звучащих песков характерна высокая однородность частиц, то есть отклонение их размеров от среднего значения невелико: песчинки "хорошо подобраны". Это может способствовать легкому скольжению слоев песка, необходимому для возникновения звука. Однако однородность частиц вовсе не обязательна: существуют гудящие дюны, состоящие из песчинок самых разнообразных размеров, в то время как многие пески с "отборными" частицами молчат.

"Звучащие" частицы имеют форму, близкую к сферической, с гладкой, без грубых шероховатостей поверхностью. Особенно хорошо отполированы песчинки гудящих дюн: размер их неровностей не превышает нескольких микрон (тысячных долей миллиметра). Прежде чем образовать гудящую дюну, песчинки долго блуждают по пустыне под действием ветра, сталкиваются и перекатываются, шлифуясь годами. Не случайно гудящие дюны встречаются, как правило, ближе к тому краю пустыни, в сторону которого дует господствующий ветер.

Однако и здесь не обошлось без исключений. Исследования гудящей Песчаной горы в пустыне Калахари показали, что далеко не все песчинки имеют гладкую поверхность и округлую форму. Более того, в 1936 году удалось поставить эксперимент, в котором добились гудения кубических кристаллов обычной поваренной соли. С другой стороны, еще никому не удалось заставить зазвучать гладкие стеклянные шарики. Вероятно, для генерации звука частицы все же должны обладать некоторой шероховатостью.

Каков же механизм возникновения акустических колебаний? Наиболее признана в настоящее время теория английского инженера и исследователя Р.А.Бэгноулда. Его работа, вышедшая в 1966 году, стала первым всесторонним исследованием феномена звучащих песков. Бэгноулд считал, что, несмотря на существенные различия в свойствах гудящих и свистящих песков, возникновение звука в них управляется одним и тем же механизмом. Рассмотрим его на примере гудящей дюны. Сначала дюну надо "построить" - главная роль здесь принадлежит ветру. Как только сила ветра достигает определенного значения (примерно 14 километров в час), песчинки начинают перемещаться скачками, частота и направление которых определяются ветром. Подскакивающие песчинки соударяются подобно бильярдным шарам, одновременно бомбардируя поверхность песка под углом около 10 градусов. Такое движение частиц песка приводит к образованию волнистого рельефа на песчаной поверхности - дюн. Подобно волнам на воде, дюны перемещаются в направлении ветра. Высота их гребней и расстояние между ними ("длина волны") растут по мере усиления ветра.

Так возникает "гудящая" дюна. Ветер долго перекатывает песчинки по пустыне, окатывает их и собирает песок в длинные гряды. Дождь вымывает из песка загрязнения и примеси, а солнце высушивает его. Чистый сухой песок образует склон с углом откоса порядка 34о. Песок по склону осыпается слоями, которые скользят с разной скоростью. Отдельные песчинки при движении вращаются, периодически проваливаются в лежащий ниже слой и возвращаются обратно. Поверхность слоя как бы вибрирует, порождая звук.

Когда угол откоса дюны с подветренной стороны приближается к 32-35 градусам, песок начинает осыпаться. Его верхние слои скользят по нижним, подобно картам в колоде. В то же время отдельные частицы в каждом слое вращаются вокруг своей оси, периодически проваливаясь в нижние слои и вновь выталкиваясь из них. Бэгноулд предположил, что это вибрирующее движение и производит звук. Чем больший объем песка участвует в образовании лавины и чем дольше отдельные слои частиц не смешиваются друг с другом, сохраняя свою индивидуальность, тем выше интенсивность и длительность звука.

Теория Бэгноулда основана на двух ключевых понятиях - "слоистость" и "рыхлость". Под первым подразумевается способность сыпучего материала к послойному перемещению, обусловленному силами трения; второе служит мерой пустого объема между песчинками и определяется как отношение среднего расстояния между частицами к их среднему диаметру. Плотно утрамбованный песок проявляет свойства твердого тела и не может осыпаться, в то время как в очень рыхлом песке силы трения между частицами слишком малы, чтобы обеспечить слоистое движение. Бэгноулд показал, что осыпание звучащего песка происходит при значении "рыхлости" порядка 1/17. Во время послойного движения, сопровождающегося кувырканием песчинок, происходят колебания этой величины около среднего значения. Поверхность слоя вибрирует подобно мембране, порождая звук.

И все же - какой физический механизм заставляет песчинки "петь"?

Английский физик Карус-Вильсон в конце XIX века предположил, что ведущую роль в возникновении звука играют силы трения. Он же подметил характерные особенности поющих песчинок - их сферичность, гладкость и однородность.

Некоторые исследователи пытались связать акустический эффект с электрическим взаимодействием между песчинками. Дело в том, что песок состоит главным образом из двуокиси кремния, то есть кварца. А частицы кварца обладают пьезоэлектрическими свойствами: под действием давления противоположные грани нейтральной частицы приобретают заряды разных знаков. Очевидно, что между заряженными частицами должны возникать силы электростатического притяжения и отталкивания. И действительно - при наблюдении за лавинами гудящего песка в пустыне Калахари было замечено, что осыпающиеся песчинки нередко слипаются в тонкие нити длиной около сантиметра. Измерения показали, что они несут заряд. Тем не менее все попытки связать звучание песков с электрическим взаимодействием частиц пока не увенчались успехом. По-видимому, главную роль в акустическом феномене играют все же силы трения.

Вот уже более столетия исследователи бьются над загадкой поющих песков, однако вопросов по-прежнему остается больше, чем ответов. Любая попытка установить общие закономерности сталкивается с тем, что исключений оказывается больше, чем правил. Быть может, стоит заняться исследованием именно этих исключений? В этом смысле большой интерес представляют звучащие пески Гавайских островов. До сих пор речь шла о песках, состоящих исключительно из кварцевых частиц. Пески островов Kауаи и Ниихау - единственные звучащие пески, состоящие не из кварца, а из частиц карбоната кальция диаметром порядка полмиллиметра, образовавшихся из морских ракушек, смешанных с кремниевыми панцирями микроскопических водорослей диатомей размером от одной тысячной до одной десятой миллиметра. Звучание гавайских песков напоминает лай собаки. Обычно эти пески причисляют к гудящим пескам, хотя многие исследователи склонны выделять их в отдельный класс "лающих" песков.

Более подробные сведения о поющих песках можно получить на web-сайте: http://www.or.jp/smiwa/

В настоящее время количество звучащих песков на нашей планете стремительно сокращается. Это связано с интенсивным движением транспорта на побережьях и в пустынях, с развитием массового туризма, загрязнением воздуха и воды. Можно сказать, что музыкальные способности песков служат естественным индикатором экологического состояния Земли.

Защита уникального природного явления от полного уничтожения требует специальных мер. С этой целью 17 ноября 1994 года в японском городе Нима был созван Всемирный симпозиум по "поющим" пескам. На нем обсуждались задачи сохранения и возрождения звучащих песков на основе международного сотрудничества и научного подхода к проблеме.

Центром движения в защиту поющих песков от уничтожения стал японский город Нима. 3 марта 1991 года там открылся Музей песка, где собраны уникальные коллекции песков со всего мира. Знаменит этот музей и тем, что в нем находятся самые большие в мире песочные часы: пять метров в высоту и метр в диаметре. В течение целого года тонна песка пересыпается из верхнего резервуара часов в нижний. В последний день каждого года, ровно в полночь, местные жители аккуратно переворачивают этот гигантский песочный календарь - и все начинается сначала.