קולות הקרב המתעתעים

השנה היא 1862 ומלחמת האזרחים האמריקאית נמצאת בעיצומה. כוחות מדינות האיחוד של צפון ארצות הברית מתכננים מתקפת פתע נגד כוחות הקונפדרציה של מדינות הדרום סמוך לעיירה איוקה (Iuka) שבמדינת מיסיסיפי. תוכנית התקיפה התבססה על תנועת מלקחיים קטלנית, שבה יגיחו יחידות של צבא האיחוד בו זמנית מצפון ומדרום לכוחות הקונפדרציה ויפתיעו אותם באופן שיכריע את הקרב. מכיוון שמכשיר הקשר טרם הומצא, תיאום מועד פתיחתה של התקיפה המשותפת הסתמך על שמיעת קולות ירי. הכוח התוקף מצפון חיכה לשמוע את קולות הנפץ של תחילת הלחימה מדרום, כדי לצאת ממקום המסתור ולהצטרף לקרב. הקרב מדרום נפתח, אך באופן מפתיע כוחות הצפון לא שמעו דבר ולא הצטרפו ללחימה. המבצע הצבאי נכשל כי המפקדים לא הבינו תופעה אקוסטית, שהסיטה את גלי הקול. 

תופעות אקוסטיות דומות נצפו גם במלחמות נוספות, אפילו קודם לכן. כבר ב-1666 למשל, בקרב ימי בין האנגלים להולנדים, הבחין איש הצי הבריטי כי קולות הירי של התותחים נשמעו היטב בלונדון, אך לא בערי חוף שהיו קרובות בהרבה לספינות היורות. במלחמת העולם הראשונה, הדי קרבות מצרפת נשמעו היטב באנגליה בחודשי הקיץ, ואילו בחורף הם נשמעו היטב דווקא בגרמניה. תופעות אלו לא היו מובנות במשך שנים, עד התקדמות המחקר המדעי במאה החולפת. 

עם פתיחת מלחמת "חרבות ברזל" והתקדמות הלחימה החלו להגיע דיווחים ממרכז הארץ על שמיעת קולות נפץ שמקורם כנראה בפעילות צבאית ברצועת עזה. מדוע פיצוץ יוצר קול נפץ, ולמה חלק מקולות הנפץ נשמעים גם ממרחק רב ואחרים לא?

הסטת גלי הקול סיכלה את תנועת המלקחיים של צבא האיחוד. העיירה איוקה במיסיסיפי כפי שצייר חייל בצבא הצפון | מקור: כתב העת Harper's Weekly

יוצרים גל הלם

כשאנחנו מכים בתוף, מנגנים בחליל, או פשוט מדברים, אנחנו יוצרים שינויים קטנים ומחזוריים בלחץ האוויר המכונים גלי קול. גלי הקול האלו מתקדמים באוויר במהירות של כ-340 מטרים בשניה, כאשר המהירות המדויקת תלויה בהרכב האוויר ובטמפרטורה שלו. פיצוץ, לעומת זאת, לא יוצר שינויים קטנים ומחזוריים בלחץ האוויר, אלא שינוי אדיר ומיידי. 

כאשר יורים ברובה למשל, אבק השריפה הנמצא בתרמיל הכדור נשרף ויוצר לחץ אדיר הגדול פי אלפיים ויותר מן הלחץ האטמוספרי. הלחץ הזה מעיף את הקליע במהירות ואחראי גם לקול הנפץ. כשהגזים משתחררים באחת מן הכדור, הם מתפשטים מהר יותר ממהירות הקול באוויר ויוצרים סביבם גל הלם (shock wave). אותו גל הלם מאופיין בשינוי חד בלחץ האוויר, בצפיפות שלו ובטמפרטורה, והוא מתקדם מהר יותר ממהירות הקול באוויר.

אבק השריפה יוצר פיצוץ וגל הלם רק אם הוא בוער במכל סגור, כמו תרמיל של כדור, שבו מתפתח לחץ גבוה במיוחד. אם נשרוף אבק שריפה באוויר הפתוח לא ישמע שום קול נפץ. עם זאת, חומרי נפץ אחרים יוצרים פיצוץ וגל הלם גם באוויר הפתוח. אבק שריפה משתייך לחומרי נפץ המכונים חומר נפץ הודף (חנ"ה), אשר מורכבים מדלק וחומר מחמצן המגיבים יחדיו, נשרפים ומשחררים גזים רבים וחום רב. הגזים המשתחררים מחומרים אלו משמשים לא רק להדיפת קליעים, אלא גם להנעת רקטות וטילים. חומרי נפץ אחרים, המכונים חומר נפץ מרסק (חנ"מ), מורכבים ממולקולות שמתפקדות כדלק וכמחמצן גם יחד. כאשר הפרעה מערערת את אותן מולקולות הן משחררות חום רב ויוצרת גל הלם שמוגבר ומתקדם בחומר הנפץ מהר יותר ממהירות הקול. גל ההלם מעורר מולקולות נוספות בחומר הנפץ ויוצר תהליך של ניפוץ (detonation). חומרי נפץ אלו יעילים בריסוק עצמים, ולכן מנוצלים במחצבות, בפצצות וכן בראשי נפץ של טילים ופגזים. 

פיצוץ יוצר גל הלם המתקדם מהר יותר ממהירות הקול. אפשר לראות את חזית הגל כקשת סביב הפיצוץ | צילום: D.R. Richmond/United States Army, Public Domain

מחלישים את קולות הפיצוצים

גל ההלם שבקרבת מקום הפיצוץ עשוי להיות מסוכן מאוד, אך עם התקדמותו הוא נחלש ומתפרק לגלי קול שממשיכים להיחלש בעצמם. תחילה, גל ההלם מתקדם באוויר, מחמם אותו ומאבד אנרגיה. הרס עצמים הנקרים בדרכו, מקטין גם הוא את כמות האנרגיה שנותרת בגל ההלם. עם המשך התקדמותו באוויר הוא מתפרק לגלי קול חזקים בטווח רחב של צלילים – גבוהים ונמוכים. גלי הקול הללו ממשיכים להתקדם באטמוספרה, ועוברים כמה תהליכים. 

ראשית, גלי הקול מהפיצוץ מתפשטים לכל הכיוונים. ככל שהם מתפשטים אל שטח רחב יותר, כך גם האנרגיה שלהם מתפזרת בשטח גדול יותר, מה שמקטין את צפיפות האנרגיה שלהם ואת עוצמת הרעש שבה הם נשמעים. התפשטות גלי הקול מפחיתה את עוצמת הרעש בכל התדרים ולא משנה את גובה הצליל בו הפיצוצים נשמעים. עם זאת, כשגלי הקול מתקדמים באוויר הם גם נבלעים. תהליכים שונים גורמים לגלי הקול לחמם את האוויר, לאבד אנרגיה ולדעוך עם התקדמותם באוויר. ככל שתדירות גל הקול גבוהה יותר, כך גם קצב הדעיכה שלו באוויר גבוה יותר. בעוד הצלילים הגבוהים מוחלשים ודועכים לאחר מרחק קצר יחסית, הצלילים הנמוכים ממשיכים להתקדם כמעט ללא בליעה במשך קילומטרים רבים ולכן מגיעים אל אוזנינו. מסיבה זו פיצוצים רחוקים נשמעים כבעלי צלילים נמוכים. 

גורם חשוב נוסף שעשוי לבלוע או לפזר את גלי הקול הוא הקרקע. אנו רגילים לעובדה שגלי קול מושפעים מעצמים שונים. אם יש רעש חזק המגיע מבחוץ אנו יכולים להחליש אותו על ידי סגירת חלון או שימוש באטמי אוזניים. באופן דומה מקימים קירות אקוסטיים כדי לחסום רעשים הנובעים מכבישים ראשיים. גבעות מיוערות מכוסות נשורת עלים, מסתבר, בלעו קולות ירי רובים במלחמת האזרחים האמריקנית והקשו על מספר גנרלים לשמוע קרבות סמוכים. חומרים נקבוביים רבים, כמו הספוג של אטמי האוזניים, שלג, חול ונשורת עלים, בולעים ביעילות גלי קול בתדרים מסוימים. גורמים כמו סוג הקרקע, הכיסוי הצמחי שלה, ומאפייניה הטופוגרפיים משפיעים רבות על המרחק שבו נשמעים פיצוצים בגובה פני הקרקע.

אז איך בכל זאת קולות פצצות ותותחים יכולים להשמע במרחק עשרות ואף מאות קילומטרים, וכיצד באותו הזמן הם עשויים לא להישמע באזורים קרובים יותר? 

גלי קול הם שינויים מחזוריים בצפיפות האוויר, כאשר ב"שיא" הגל האוויר צפוף יותר | איור: Fouad A. Saad, Shutterstock

שומעים את מזג האוויר

דמיינו לרגע קרן אור, או אלומת לייזר. כל עוד קרן האור מתקדמת בחומר אחיד היא נעה בקו ישר. אך אם קרן האור עוברת בתנועתה מחומר אחד אל חומר או תווך אחר, שבו מהירות האור שונה, הקרן תשנה את כיוון התקדמותה. תופעה זו מכונה שבירה אופטית. כך למשל, כשאור הנע באוויר נכנס בזווית אל תוך זכוכית, קרני האור שלו נשברות ומשנות את כיוון התקדמותן. אם האור נע בזוויות מסוימות מחומר שבו מהירותו איטית אל חומר שבו הוא מהיר, למשל מזכוכית אל אוויר, הוא מוחזר כולו במה שמכונה החזרה גמורה. תופעת השבירה מאפשרת ליצור רכיבים אופטיים כמו עדשה של זכוכית מגדלת, המרכזת את האור, או כמו סיבים אופטיים המוליכים אור למרחקים עצומים בלי שיתפזר. 

בדומה לגלי האור גם גלי הקול הם, ובכן, גלים. גם הקרניים של גלי הקול מתקדמות לאורך קווים ישרים בחומר אחיד, ויכולות לעבור לא רק בליעה החזרה או פיזור, אלא גם שבירה. שבירה כזו עשויה להתרחש למשל אם גל קול עובר מאזור עם אוויר חם, שבו הוא נע מהר, לאזור עם אוויר קר, שבו מהירות הקול נמוכה יותר. 

במהלך יום קייצי השמש מחממת את הקרקע כך שהאוויר נעשה חם יותר ככל שהוא קרוב יותר לפני הקרקע. השינוי ההדרגתי הזה בטמפרטורה שובר בהדרגתיות את גלי הקול הנעים קרוב לפני הקרקע ומסיט אותם מעלה, כלפי השמים. תופעה זו עשויה לגרום לנו לא לשמוע קולות של פיצוצים קרובים אלינו יחסית, משום שגלי הקול שלהם מוסטים מאיתנו ולא מגיעים אל אזנינו. באופן דומה, שינוי טמפרטורות כזה גם עשוי להסיט אור מן השמים כך שיראה לנו כאילו הוא מגיע מן הקרקע, וליצור אשלייה של שלולית מים באמצע המדבר או על כביש אספלט לוהט. 

שינוי הטמפרטורות יכול להסיט את גלי האור, כך שייראו כאילו הם מגיעים מהקרקע, לא מהשמיים. אשליה של שלולית מים על כביש חם (מיראז' תחתון) | צילום: MXW Stock, Shutterstock

הקרב שהתרחש ליד העיר איוקה התקיים בעוד רוח סתיו חזקה נשבה מצפון, אל עבר קולות הירי. הצמחייה האטה את הרוח סמוך לפני הקרקע, אך המשבים היו חזקים יותר עם העלייה בגובה. כך, הרוח האטה את גלי הקול שבאו מדרום ושינתה את מהירות התקדמותם באופן דומה לחימום פני הקרקע: גלי הקול נעו מהר יותר סמוך לפני השטח, ולאט יותר ככל שעולים בגובה. הרוח גרמה לשבירה ולהסטת גלי הקול מעלה כלפי השמיים והיא זו שמנעה מהכוח הצפוני של מדינות האיחוד לחבור בזמן אל הכוח הדרומי ולנצח בקרב.

לעומת זאת, לעיתים האוויר הולך ומתחמם דווקא ככל שעולים בגובה. הדבר עשוי להתרחש לאחר השקיעה ובלילה, כאשר הקרקע מתקררת מהר והאוויר שמעליה עוד חם. התופעה עשויה להתרחש גם מעל גופי מים אשר מקררים את האוויר בקרבתם, או בשכבות אוויר בגובה רב. במצב כזה, עשויה להתרחש תופעת שבירה הפוכה בכיוונה, וגלי קול אשר מכוונים תחילה מעלה אל השמים יתעקלו מטה ויחזרו אל הקרקע. אפקט זה לא רק מכוון יותר גלי קול אל עבר הקרקע, אלא גם עשוי להוביל אותם מעבר לעצים אדמה וגופים אחרים הבולעים אותם סמוך לפני הקרקע. בכך, תופעה זו עשויה להגביר את העוצמה שבה אנו שומעים את הפיצוצים הרחוקים. באופן דומה, שינוי טמפרטורה כזה עשוי לגרום לאשליה אופטית שבה נראית בשמיים השתקפות של ספינה השטה בים. 

שינויים בטמפרטורת האוויר קרוב לפני הקרקע או הים יכולים ליצור את האשליות של ספינות מרחפות. אשליית מיראז' עליון במפרץ ריגה, לטביה | צילום: Juris Seņņikovs, SWikipedia

תופעה מפתיעה אף יותר מתרחשת כאשר האוויר מתחמם קרוב לפני הקרקע וגם שב ומתחמם בגובה רב. במקרה זה גלי הקול מהפיצוץ עשויים לעלות מעלה אל עבר השמים, כך שאנשים בקרבת מקום לא ישמעו אותם, אך לשוב ולרדת אל עבר הקרקע במרחק רב יותר, כך שהפיצוצים כן יישמעו במרחק זה. תופעה דומה עשויה אף ליצור ערוץ של אוויר קר בגובה רב, שכולא גלי קול ומוליך אותם אל אזורים מרוחקים בדומה להולכת אור בסיב אופטי. תופעות אלו עשויות לצמצם הן את הבליעה של גלי הקול, והן את גודל השטח שאליו התפשטו הגלים בטרם הגיעו אל השומעים הרחוקים. 

שינוי הדרגתי בטמפרטורת האוויר מסיט את גלי הקול ומשפיע על העצמה והמרחק שבהם הגלים נשמעים | איור: Fouad A. Saad, Shutterstock

לאמץ את השקט

הבנת הפיזיקה של תנועת הרעש, וגלי קול בכלל, חשובה לא רק לשימושים צבאיים, כמו פעולות האזנה על ידי צוללות ושמירה על חשאיותן, אלא גם ליישומים מדעיים ואזרחיים רבים. כך למשל, הבנת האופן שבו גלים מתקדמים באטמוספרה היא קריטית להפעלתם של לוויינים ומכשירי מדידה נוספים המודדים מרחוק את האטמוספרה ואת פני השטח כדי להבין אותם טוב יותר. תקשורת רדיו מושפעת גם היא מאותן תופעות, והבנה שלהן אפשרה להרחיב את טווח השידור של ספינות ושל תחנות רדיו. הבנת האקוסטיקה של הרעש גם חשובה לצמצום רעשים מכבישים ומקורות אחרים, ולתכנון מחסומי רעש כמו קירות אקוסטיים. 

אנו מקווים שנשוב במהרה לימים שקטים יותר, שבהם האקוסטיקה של אולמות הרצאות ואיצטדיוני כדורגל תעסיק אותנו יותר מזו של קולות פיצוצים.