Жизнь океанских глубин
Шрифт:
К сожалению, таким способом можно определить местонахождение лишь низкочастотных источников звука. Слуховой аппарат высчитывает не просто разницу во времени прихода звука как такового, а разницу во времени прихода одинаковых фаз звуковой волны. Максимальное опоздание прихода звука ко второму уху может достигать 840 микросекунд. Поэтому нужно, чтобы время полного цикла звуковой волны, от одного максимума давления до другого, было больше 840 микросекунд. При более высоких звуках, имеющих более короткие волны, слуховые центры нашего мозга начинают путаться. Например, звуку с частотою 10 000 герц, идущему под углом 55 градусов, чтобы обогнуть голову, нужно 450 микросекунд. Продолжительность цикла равна 100 микросекундам. Следовательно, огибая голову, звуковая волна успеет сделать 4,5 цикла.
Однако до слуховых центров мозга информация о 4 полных циклах звуковой волны просто не дойдет. Для определения направления
Уши наземных животных к работе под водой не приспособлены. Погрузившись в воду с головой, каждый может убедиться, что не способен определить даже местоположение источника громких звуков. В воде скорость их распространения возрастет в 4,5 раза. Соответственно в 4,5 раза сократится разница времени прихода звука в одно ухо по сравнению с другим, но слуховые центры мозга не способны сделать поправку на возросшую скорость.
Другим источником информации о местоположении звука является его интенсивность. При звуках низкой частоты длины звуковых волн несоизмеримо больше размера головы. При 100 герцах она равняется 3,3 метра. Такая волна легко огибает голову. Другое дело, если волна маленькая. У звуков с частотой 10 000 герц длина волны всего 3,3 сантиметра. Высокие звуки отражаются головой, и второе, более отдаленное ухо оказывается как бы в акустической «тени». Звук дойдет и до него, но дойдет значительно ослабленным. Если источник звука находится под углом 15 градусов, то для звука с частотой 1000 герц разница интенсивности составит 150 процентов, а при частоте 15 000 герц — 900.
Уже при частоте 3000–4000 герц разность интенсивности звуков достаточно велика и позволяет определить, откуда он доносится. В воде наземным животным этот способ не помогает. Звуковые волны, наткнувшись на голову животного, погруженную в воду, вместо того чтобы отразиться от нее, распространяются по костям черепа и прямиком добираются до внутреннего уха. Таким образом, обычные механизмы, позволяющие наземным животным устанавливать местоположение источника звука, под водой не работают.
Как же приспособились к жизни в воде морские млекопитающие? Как они умудряются разбираться в звуках подводного мира? Китообразные в этом отношении не испытывают серьезных затруднений. Природа, тысячелетиями шлифуя и совершенствуя их слуховую систему, нашла блестящее решение. Среднее и внутреннее ухо дельфина не вмонтированы в костный череп, как у всех наземных существ. Замурованные в особое, чрезвычайно твердое костное вещество, звукоприемные устройства в виде отдельных образований, названных буллей, подвешены к черепу на специальной сухожильной связке. Для большей надежности булля отделена от остального черепа специальными полостями, заполненными воздухом или пеной из белковой эмульсии. У усатых китов-полосатиков связь черепа со слуховой костью, хотя и незначительная, сохранилась, однако специальная звукоизоляция препятствует переходу звука с черепа на буллю. Полностью независимые друг от друга звукоприемники правого и левого уха превосходно приспособлены для определения местоположения источника звука. Дельфины афалины в огромном бассейне способны по всплеску безошибочно определить, куда упала рыбка, крохотная дробинка или просто капля воды. Особая конструкция органов восприятия звуков морских млекопитающих свидетельствует об огромном значении для них слуха.
Морские млекопитающие, во всяком случае киты и некоторые виды котиков, освоили эхогидролокацию. Об этом уже столько писали, что здесь я позволю себе ограничиться коротким рассказом.
Выгоды гидроэхолокации объясняются высокой проникающей способностью звуковых волн. Впрочем, это свойство накладывает на использование подводных сонаров известные ограничения. Чтобы дать оценку проникающей способности звуков, напомню, что солнечный луч можно задержать листком бумаги. Самый тонкий лист металла и даже мелкая металлическая сетка задержат радиоволны. Для тепловых лучей они не станут непреодолимой преградой. Чтобы задержать рентгеновские лучи, нужна свинцовая пластинка, хотя и не очень толстая. Полностью задержать поток нейтрино — особых элементарных частиц, возникающих при бета-распаде атомных ядер или нестабильных элементарных частиц вроде пи-мезонов, можно, лишь имея свинцовую «пластинку» толщиной около 10 триллионов километров!
Звуковые волны на этой шкале следует поместить не то чтобы посредине, но, во всяком случае, между рентгеновскими лучами и потоками нейтрино. Их широкое использование для активной локации основано, с одной стороны, на способности проходить сквозь
самые различные вещества, а с другой, отражаться от поверхностей, являющихся границами двух сред. Это позволяет дельфинам получать информацию не только об обращенной к ним стороне лоцируемых объектов, но и о противоположной, невидимой глазом стороне, а заодно и об их внутренней структуре. Прозрачность для звуковых волн различных материалов, особенно если она близка к прозрачности воды, может явиться серьезным осложнением эффективной локации. В этом случае на границе двух сред: вода — лоцируемый объект отражение звуковых волн будет незначительным и объект окажется невидимым.Тело рыб хорошо проводит звуковые волны и дает незначительное эхо. Расчеты позволяют предположить, что ставридку длиной в 12–15 сантиметров, если она повернута боком к дельфину, животные способны обнаружить за 12–15 метров. Мертвая рыба «видна» хуже. Живую выдает наполненный воздухом плавательный пузырь. Он лучше всего «виден» дельфину, хотя и находится внутри. Как дельфины обнаруживают рыбьи стаи, пока неизвестно, но расчеты показывают, что если локационный импульс упирается в тела четырех тысяч ставридок, то стая рыб становится заметной за 100 метров.
По тем же расчетам, дельфины могут находить друг друга с помощью эхолокатора за 100–130 метров. При этом им сильно помогают наполненные воздухом легкие, так как остальные части тела дают гораздо менее интенсивное эхо. Видимо, друг друга дельфины «видят» как на рентгенограмме: на фоне общих очертаний слабо просвечивают контуры костного скелета, сердце, печень, другие органы, а в центре яркое пятно легких.
Как известно, сущность эхолокации состоит в том, что активно генерируемые животным звуковые посылки, направленно распространяясь в пространстве, натыкаются на различные препятствия и, отразившись от них, эхом возвращаются к владельцу излучателя, доставляя информацию. В принципе для эхолокации годятся любые звуки, но получать детальную информацию об окружающем мире можно лишь с помощью коротких звуковых волн. Длинноволновые звуки порождаются излучателями, размер которых существенно меньше размера генерируемых ими звуковых волн. В этом случае звуковые волны разбегаются от излучателя во все стороны.
Иное дело ультразвуки. Гораздо чаще габариты их излучателей значительно больше длины волны излучаемого звука. Такой излучатель порождает плоские волны. Они распространяются в направлении, перпендикулярном плоскости излучателя. Возникает звуковой луч — узкий пучок звуковых волн. Он позволяет сконцентрировать всю энергию звука на нужном направлении, послать звуковую посылку дальше и получить с ее помощью более громкое эхо. Интенсивность звука резко возрастает по мере увеличения частоты колебаний. Генерировать ультразвуки, обладающие высокими энергиями, проще, чем слышимые звуки такой же силы. Поэтому при эхолокации выгодно использовать ультразвук.
Но ультразвук очень быстро затухает. Чем выше частота, тем быстрее идет поглощение. При увеличении частоты в 10 раз, затухание будет происходить в 100 раз быстрее, а следовательно, резко сократится расстояние, на которое он распространится. И все-таки применять ультразвук выгоднее, чем более низкие звуки. Распространяясь во все стороны, они рассеиваются в пространстве, и их интенсивность тоже быстро падает.
Зубатые китообразные для эхолокации пользуются звуковым прожектором. Наружный носовой проход и примыкающие к нему воздушные мешки, где, по-видимому, и происходит генерация звуковых посылок, снизу ограничены костями нижней челюсти, а сзади — вогнутой чашей лобных костей черепа. Видимо, костный лоб служит рефлектором, позволяющим направлять звуки вперед. Здесь на пути звуков оказывается своеобразное образование — жировая подушка. Есть веские основания считать ее акустической линзой, фокусирующей звуковые лучи в узкий пучок.
При прохождении звуковых волн через разные участки жирового вещества их скорость меняется. Благодаря этому чечевицеобразная линза, видимо, способна преобразовывать сферический фронт звуковой волны в плоский или даже вогнутый. В результате звуки распространяются узким лучом и вследствие фокусировки усиливаются. Ученые предполагают, что дельфины способны изменять форму линзы, подстраиваясь к разной температуре, солености и давлению, иными словами, к глубине погружения.
Звуковой прожектор, «освещая» дельфину дорогу, позволяет увидеть любой предмет еще загодя. Мутная вода не страшна. Она для звуков прозрачна. Когда внезапно налетает шквал и море вблизи берегов взмучивается от поднятого со дна ила, лобный фонарь помогает избегать опасности. Он выручает дельфинов в кромешную тьму осенней ненастной ночи. Представьте себе, как большое дельфинье стадо идет по ночному морю, обшаривая его десятками прожекторов. Звуковые лучи то меркнут, то вспыхивают с новой силой, устремляются вперед или вдруг все вместе скрещиваются на заинтересовавшем животных предмете.