Vì sao ban đêm nghe tiếng xa rõ hơn ban ngày: khúc xạ âm và nghịch nhiệt

Ban đêm ta nghe tiếng xa rõ hơn vì hai lẽ cùng lúc. Thứ nhất, không khí sát mặt đất về đêm thường lạnh hơn lớp phía trên, nên sóng âm bị bẻ cong vòng xuống đất thay vì bay vút lên trời như ban ngày. Thứ hai, tiếng ồn nền của xe cộ, máy móc, người nói chuyện giảm hẳn, nên những âm thanh nhỏ từ xa không còn bị lấn át.

Nghĩa là tiếng chuông chùa, tiếng còi tàu hay tiếng gà gáy bên kia cánh đồng không hề "to lên" về đêm. Chúng chỉ đi theo một con đường khác, và đến tai ta trong một khung cảnh yên hơn.

Thấy ở đâu, lúc nào

Ai sống gần đường sắt đều biết: đêm khuya hoặc rạng sáng, tiếng tàu chạy cách vài cây số vẫn nghe rõ mồn một, trong khi giữa trưa cùng chuyến tàu ấy gần như không để ý. Ở làng quê đồng bằng Bắc Bộ, tiếng loa phát thanh của thôn bên, tiếng trống đình, tiếng máy bơm nước ngoài đồng vọng sang rất xa vào những đêm trời lặng. Ven hồ, ven sông lớn, người ta nghe được tiếng nói chuyện từ thuyền bên kia bờ.

Hiện tượng rõ nhất khi hội đủ mấy điều kiện:

• Trời quang, gió lặng: mặt đất nguội nhanh sau hoàng hôn, lớp không khí sát đất lạnh đi trước.
• Cuối đêm đến sáng sớm: lớp không khí lạnh sát đất dày nhất, thường quanh lúc trước bình minh.
• Địa hình bằng phẳng hoặc mặt nước: đồng lúa, mặt hồ, thung lũng nơi khí lạnh đọng lại.
• Ít vật cản: không có nhà cao tầng, hàng cây dày chắn giữa nguồn âm và người nghe.

Đêm có gió mạnh hoặc trời nhiều mây, hiệu ứng yếu hẳn. Đó là manh mối đầu tiên cho thấy chuyện không đơn giản chỉ là "ban đêm yên tĩnh".

Cơ chế: âm thanh bị bẻ cong theo nhiệt độ

Âm thanh đi nhanh hơn trong không khí ấm. Ở 0 °C, tốc độ âm khoảng 331 m/s; cứ ấm thêm 1 °C, nó nhanh thêm chừng 0,6 m/s, nên ở 30 °C vào khoảng 349 m/s. Chênh lệch nghe có vẻ nhỏ, nhưng đủ làm đổi hướng cả một mặt sóng.

Hãy hình dung mặt sóng âm như một hàng người khoác tay nhau đi ngang qua một bãi đất: phần trên đi trên nền khô (nhanh), phần dưới lội qua bùn (chậm). Cả hàng sẽ tự xoay về phía bên chậm. Sóng âm cũng thế: nó luôn bẻ cong về phía lớp không khí mà nó đi chậm hơn, tức là phía lạnh hơn. Đây là khúc xạ âm, cùng bản chất với khúc xạ ánh sáng nhưng diễn ra trong không khí có nhiệt độ thay đổi dần.

Ban ngày: âm thanh cong lên trời

Giữa trưa nắng, mặt đất hấp thụ nhiệt và nung nóng lớp không khí sát nó. Càng lên cao không khí càng mát. Sóng âm phát ra gần mặt đất đi nhanh ở dưới, chậm ở trên, nên mặt sóng ngả dần lên trời. Kết quả: một phần năng lượng âm bay lên cao rồi mất, và ở khoảng cách đủ xa có thể hình thành vùng bóng âm, nơi tiếng gần như không tới được dù không có vật cản nào.

Ban đêm: âm thanh cong xuống đất

Sau hoàng hôn, mặt đất nguội đi và làm lạnh lớp không khí sát nó. Trong một lớp dày vài chục đến vài trăm mét, nhiệt độ lại tăng theo độ cao thay vì giảm. Giới khí tượng gọi đó là lớp nghịch nhiệt. Lúc này sóng âm đi chậm ở dưới, nhanh ở trên, nên bị bẻ cong ngược trở xuống. Những tia âm lẽ ra bay mất lên trời nay vòng về mặt đất ở xa, cộng thêm vào phần đi thẳng. Lớp nghịch nhiệt hoạt động gần như một cái trần cong úp xuống, dẫn tiếng đi rất xa.

Chuyện vì sao đêm trời quang lại nguội nhanh như vậy là câu chuyện về bức xạ nhiệt ra bầu trời, thuộc một bài khác trên site. Ở đây chỉ cần nhớ kết quả: đêm quang, lặng gió thì sát đất lạnh hơn phía trên.

Bảng so sánh ngày và đêm

Gió, mặt nước và những biến thể

Đứng xuôi gió nghe rõ hơn

Gió sát mặt đất bị ma sát hãm lại, càng lên cao gió càng mạnh. Khi âm đi xuôi gió, phần trên của mặt sóng được "đẩy" nhanh hơn phần dưới, nên mặt sóng cong xuống đất, y như đêm nghịch nhiệt. Ngược gió thì âm cong lên trời. Vì thế cùng một tiếng còi, người đứng cuối gió nghe rõ, người đứng đầu gió nghe lờ mờ. Ông bà ta hay nói "gió đưa tiếng", câu ấy đúng về vật lý.

Mặt hồ, mặt sông

Buổi chiều tối và sáng sớm, mặt nước thường làm lạnh lớp không khí ngay trên nó, tạo một lớp nghịch nhiệt mỏng. Mặt nước lại phẳng và phản xạ âm tốt, không có cỏ cây hút bớt. Hai điều này cộng lại khiến tiếng nói chuyện, tiếng mái chèo khua nước có thể vượt qua cả mặt hồ rộng. Người câu cá đêm thường dặn nhau nói khẽ, vì tiếng người đi xa hơn mình tưởng.

Thung lũng ban đêm

Ở miền núi, không khí lạnh về đêm nặng hơn nên trôi xuống và đọng ở đáy thung lũng. Lớp khí lạnh này là một kênh dẫn âm tự nhiên. Tiếng chó sủa, tiếng suối, tiếng xe máy từ bản bên kia thung lũng nghe rõ đến bất ngờ vào đêm lặng gió.

Độ ẩm có giúp không

Không khí cũng hấp thụ một phần năng lượng âm, nhất là âm cao. Mức hấp thụ phụ thuộc phức tạp vào cả nhiệt độ lẫn độ ẩm, và không phải cứ ẩm hơn là âm đi xa hơn. So với hiệu ứng bẻ cong do nhiệt độ và gió, ảnh hưởng của độ ẩm ở khoảng cách vài cây số thường nhỏ hơn. Một điều chắc chắn hơn: âm trầm (tiếng tàu, tiếng trống) luôn đi xa tốt hơn âm cao, nên thứ ta nghe từ xa về đêm thường là những tiếng trầm, ì ì.

Phần "ban đêm yên tĩnh" chiếm bao nhiêu

Không nên coi nhẹ lý do thứ hai. Tai người phân biệt một âm nhờ nó nổi lên trên nền ồn. Ở thành phố, tiếng ồn nền ban ngày có thể cao gấp nhiều lần lúc nửa đêm. Một tiếng chuông chùa cách hai cây số ban ngày vẫn tới tai ta, nhưng chìm trong tiếng xe, nên não không tách nó ra được. Đêm xuống, nền ồn hạ xuống, tiếng chuông bỗng hiện ra như vừa được bật loa.

Còn có một yếu tố tâm lý: ban đêm ta ít việc để chú ý, mắt không bận nhìn, nên tai trở thành giác quan chính. Ta để ý cả những tiếng mà ban ngày vẫn có nhưng bị bỏ qua.

Vậy cái nào quan trọng hơn? Tuỳ đêm. Đêm lặng gió, trời quang, nghịch nhiệt mạnh thì tiếng xa thật sự tới tai mạnh hơn, có khi mạnh hơn nhiều so với ban ngày. Đêm gió lớn, nhiều mây thì phần lớn cảm giác "rõ hơn" đến từ việc yên tĩnh.

Những hiểu lầm thường gặp

• "Ban đêm không khí đặc hơn nên truyền âm tốt hơn." Không khí lạnh có đặc hơn một chút, nhưng tốc độ âm lại chậm hơn và điều đó không làm âm đi xa hơn. Thứ quyết định là sự chênh lệch nhiệt độ theo độ cao, không phải không khí đặc hay loãng.
• "Sương đêm dẫn âm." Sương mù hay sương đọng không phải là chất dẫn âm. Đêm có sương thường là đêm lặng gió, lạnh sát đất, nên nghe xa, nhưng nguyên nhân là lớp nghịch nhiệt chứ không phải giọt sương.
• "Tai người về đêm thính hơn." Độ thính của tai không đổi theo giờ. Thứ thay đổi là nền ồn và sự chú ý.
• "Âm thanh đi nhanh hơn về đêm." Ngược lại, không khí lạnh làm âm đi chậm hơn đôi chút. Nhưng chậm hay nhanh không quan trọng bằng hướng đi.

Chuyện này có ích gì

Người làm quan trắc tiếng ồn biết rõ hiện tượng này. Một nhà máy, một sân bay hay một công trường có thể đo tiếng ồn ban ngày ở khu dân cư thấy chấp nhận được, nhưng đêm nghịch nhiệt thì tiếng lại vọng tới rõ hơn hẳn, và người dân phàn nàn đúng vào giờ ngủ. Vì thế đo đạc tiếng ồn nghiêm túc phải xét cả điều kiện thời tiết. Những chuyện kể về tiếng pháo, tiếng nổ mìn ở mỏ đá nghe thấy tận nơi rất xa trong khi chỗ gần hơn lại không nghe cũng thường được giải thích bằng khúc xạ âm trong khí quyển.

Với người bình thường, hiểu chuyện này giúp ta nói khẽ hơn khi cắm trại bên hồ, và hiểu vì sao tiếng loa karaoke nhà hàng xóm cách cả con phố lại dội về rõ đến thế lúc mười giờ đêm.

Tự quan sát / tự thử an toàn

Không cần dụng cụ gì đặc biệt, chỉ cần một nguồn âm cố định ở xa mà ngày nào cũng có, và chút kiên nhẫn.

1. Chọn nguồn âm: tiếng tàu hoả, tiếng chuông chùa giờ cố định, tiếng loa phát thanh của thôn, tiếng máy bơm. Nên là nguồn ở cách nhà bạn từ vài trăm mét đến vài cây số.
2. Nghe cùng một chỗ, nhiều giờ khác nhau: giữa trưa, chập tối, nửa đêm, rạng sáng. Đứng ở cùng vị trí, ví dụ ban công hoặc hiên nhà.
3. Ghi lại thời tiết: trời quang hay mây, có gió không, gió từ phía nào. Ghi theo cảm nhận là đủ: "rất rõ / rõ / mờ / không nghe".
4. So sánh sau một tuần: bạn sẽ thấy những đêm quang, lặng gió cho tiếng rõ nhất; ngày gió thổi từ phía nguồn âm về phía bạn cũng rõ.
5. Thêm một phép thử: dùng ứng dụng đo độ ồn trên điện thoại đo tiếng ồn nền ở nhà lúc 14 giờ và lúc 23 giờ. Con số chỉ là ước lượng, nhưng đủ cho thấy nền ồn chênh lệch bao nhiêu.

Lưu ý an toàn: chỉ nghe từ nhà hoặc nơi quen thuộc. Không đi ra đường ray, bờ sông, bờ hồ một mình lúc tối để "nghe cho rõ". Không đến gần nguồn âm lớn như loa công suất, máy nổ để so sánh, và không ghé tai sát bất cứ thứ gì đang phát tiếng to.