Abonneer u op de wetenschappelijke nieuwsbrief van CNN op Wonder Theory. Verken het universum met nieuws over spannende ontdekkingen, wetenschappelijke vorderingen en meer.
Gigantische zonneballonnen werden 70.000 voet de lucht in gestuurd om de geluiden van de stratosfeer van de aarde op te nemen – en de microfoons pikten enkele onverwachte geluiden op.
De stratosfeer is de tweede laag van de atmosfeer van de aarde en het laagste niveau bevat de ozonlaag die de ultraviolette straling van de zon absorbeert en verstrooit, aldus NASA. In de dunne, droge lucht van de stratosfeer bereiken straalvliegtuigen en weerballonnen hun maximale hoogte, en de relatief rustige atmosferische laag wordt zelden verstoord door turbulentie.
Daniel Bowman, hoofdwetenschapper bij Sandia National Laboratories in New Mexico, werd op de graduate school geïnspireerd om het geluidslandschap van de stratosfeer te verkennen nadat hij kennis had gemaakt met de laagfrequente geluiden die door vulkanen worden geproduceerd. Bekend als infrageluid, is het fenomeen onhoorbaar voor het menselijk oor.
Bowman en zijn vrienden hadden eerder met camera’s in weerballonnen gevlogen “om foto’s te maken van de zwarte lucht boven en de aarde ver beneden” en bouwden met succes hun eigen zonneballon.
Hij stelde voor om ultrasone recorders aan ballonnen te bevestigen om de geluiden van vulkanen op te nemen. Maar toen beseften hij en zijn adviseur Jonathan Lees van de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill “dat niemand al een halve eeuw had geprobeerd microfoons in stratosferische ballonnen te plaatsen, dus concentreerden we ons op het onderzoeken van wat dit het nieuwe platform zou kunnen doen,” Bowman gezegd. hij zei. Lees is een professor in aard-, zee- en milieuwetenschappen die onderzoek doet naar seismologie en vulkanologie.
Ballonnen kunnen sensoren twee keer zo ver vervoeren als commerciële vliegtuigen kunnen vliegen.
“In onze zonneballonnen hebben we oppervlakte- en ondergrondse chemische explosies, donderslagen, beukende oceaangolven, propellervliegtuigen, stadsgeluiden, suborbitale raketlanceringen, aardbevingen en misschien zelfs goederentreinen en straalvliegtuigen vastgelegd”, zei Bowman via e-mail. “We hebben ook geluiden opgenomen waarvan de oorsprong niet duidelijk is.”
De bevindingen werden donderdag gedeeld tijdens de 184e jaarlijkse bijeenkomst van de Acoustical Society of America in Chicago.
Een opname gedeeld door Bowman vanuit een NASA-ballon die rond Antarctica cirkelt, bevat echografie van beukende oceaangolven, die klinkt als een voortdurende zucht. Maar ander gekraak en geritsel is van onbekende oorsprong.
Bekijk deze interactieve inhoud op CNN.com
In de stratosfeer “zijn er mysterieuze infrasonische signalen die een paar keer per uur op bepaalde vluchten verschijnen, maar de bron hiervan is volkomen onbekend”, zei Bowman.
Bowman en zijn collega’s voerden onderzoek uit met behulp van ballonnen van NASA en andere vluchtaanbieders, maar besloten hun eigen ballonnen te bouwen, die elk een diameter van ongeveer 19,7 tot 23 voet (6 tot 7 meter) overspannen.
Benodigdheden zijn te vinden in hardware- en vuurwerkwinkels, en ballonnen kunnen worden gemonteerd op een basketbalveld.
“Elke ballon is gemaakt van schildersplastic, verzendtape en houtskoolpoeder”, zei Bowman via e-mail. “Ze kosten ongeveer $ 50 om te maken en een team van twee kan er in ongeveer 3,5 uur een bouwen. Je neemt hem gewoon mee naar een veld op een zonnige dag en vult hem met lucht en hij kan een kilo lading naar ongeveer 22.000 voet dragen.”
Kolenstof wordt in de ballonnen gebruikt om ze donkerder te maken, en wanneer de zon op de donkere ballonnen schijnt, warmt de lucht erin op en wordt deze drijvend. Het goedkope en gemakkelijke doe-het-zelf-ontwerp betekent dat onderzoekers meerdere ballonnen kunnen oplaten om zoveel mogelijk gegevens te verzamelen.
Gids Star Engineering LLC/Sandia National Laboratories
Dit uitzicht vanuit een van de hetelucht-zonneballonnen van Sandia National Laboratories is ongeveer 21 kilometer boven het aardoppervlak genomen.
“Echt, een groep middelbare scholieren met toegang tot de schoolgymnastiek zou een zonneballon kunnen bouwen, en er is zelfs een mobiele app genaamd RedVox die echo’s kan opnemen,” zei Bowman.
Bowman schatte dat hij tussen 2016 en april van dit jaar enkele tientallen zonneballonnen heeft gelanceerd om ultrasone opnames te verzamelen. Microbarometers, oorspronkelijk ontworpen om vulkanen te bewaken, werden aan ballonnen bevestigd om laagfrequente geluiden op te nemen.
De onderzoekers volgden hun ballonnen met behulp van GPS, omdat ze honderden kilometers kunnen reizen en op ongelegen plekken kunnen landen.
De langste vlucht tot nu toe was 44 dagen in een NASA-heliumballon, die 19 dagen aan gegevens registreerde voordat de batterijen in de microfoon het begaven. Ondertussen duren ballonvluchten op zonne-energie in de zomer ongeveer 14 uur en landen net nadat de zon ondergaat.
Het voordeel van de grote hoogte die door ballonnen wordt bereikt, betekent dat het geluidsniveau lager is en het detectiebereik groter is – en de hele aarde toegankelijk is. Maar ballonnen vormen ook uitdagingen voor onderzoekers. De stratosfeer is een barre omgeving met wilde temperatuurschommelingen tussen warm en koud.
“De zonneballonnen zijn een beetje traag en we hebben er een paar in de struiken vernield toen we ze probeerden te lanceren,” zei Bowman. “We moesten ravijnen en bergen afdalen om onze ladingen op te halen. Onze collega’s van Oklahoma State hebben ooit een heteluchtballon in een veld laten landen, de nacht doorgebracht en weer de lucht in gelanceerd om nog een hele dag te vliegen!
De lessen die zijn getrokken uit meerdere ballonvluchten hebben het proces iets gemakkelijker gemaakt, maar nu is de grootste uitdaging voor onderzoekers het identificeren van de signalen die tijdens de vluchten zijn geregistreerd.
“Er zijn veel vluchten met signalen waarvan we de oorsprong niet begrijpen”, zei Bowman. “Het is vrijwel zeker alledaags, misschien een stukje turbulentie, een zware storm in de verte, of een soort menselijk object zoals een goederentrein – maar het is soms moeilijk te zeggen wat er aan de hand is vanwege het gebrek aan gegevens daarboven.”
Sarah Albert, een geofysicus bij Sandia National Laboratories, heeft een “geluidskanaal” onderzocht – een kanaal dat geluiden over lange afstanden door de atmosfeer transporteert – gelegen op de hoogten die Bowman bestudeert. Haar opnames legden raketlanceringen en ander onbekend gerommel vast.
Randy Montoya/Sandia Nationale Laboratoria
Geofysici van Sandia National Laboratories (van links) Daniel Bowman en Sarah Albert tonen een ultrasone sensor en de doos die wordt gebruikt om de sensoren te beschermen tegen extreme temperaturen.
“Het geluid kan vast komen te zitten in het kanaal en weergalmen totdat het volledig vervormd is”, zei Bowman. “Maar of het dichtbij en redelijk stil is (zoals een stukje turbulentie) of ver en sterk (zoals een verre storm) is nog onduidelijk.”
Bowman en Albert zullen het luchtgeluidskanaal blijven onderzoeken en proberen vast te stellen waar het gerommel in de stratosfeer vandaan komt – en waarom sommige vluchten ze oppikken en andere niet.
Bowman wil graag het geluidslandschap van de stratosfeer begrijpen en sleutelfuncties ontgrendelen, zoals variabiliteit tussen seizoenen en locaties.
Het is mogelijk dat met helium gevulde versies van deze ballonnen op een dag kunnen worden gebruikt om andere planeten zoals Venus te verkennen, met wetenschappelijke instrumenten gedurende een paar dagen boven of in de wolken van de planeet als een testvlucht voor grotere, complexere missies.
