Ηχητική ανάλυση του ανεμοστρόβιλου στο Ηράκλειο Αττικής την Τρίτη 13/10/2020

Ο ανεμοστρόβιλος που «χτύπησε» το Ηράκλειο Αττικής την Τρίτη 13 Οκτωβρίου 2020, προκαλώντας σοβαρές καταστροφές κατά το σύντομο πέρασμά του, επιβεβαιώθηκε μετά το αποκλειστικό βίντεο που δημοσίευσε το weatherathens και πλέον αναγνωρίστηκε κι επίσημα από τους μετεωρολογικούς φορείς της χώρας. Το γεγονός καταχωρήθηκε, επίσης, στην ευρωπαϊκή βάση έντονων καιρικών φαινομένων ως ανεμοστρόβιλος κατηγορίας F1 της κλίμακας Fujita, με διάρκεια περίπου 5 λεπτών, διαδρομή 4,5 χιλιομέτρων, που δημιουργήθηκε στον μεσοκυκλώνα της καταιγίδας, τραυματίζοντας 3 άτομα.

Ο φυσικός Άγγελος Λαμπίρης, επιχείρησε την παρακάτω ηχητική ανάλυση του ανεμοστρόβιλου μέσα από δύο βίντεο και τις ηχητικές συχνότητες που έχουν καταγραφεί σε αυτά:

Του Ά. Λαμπίρη, φυσικού:

Το ξημέρωμα της 13ης Οκτωβρίου του 2020 η περιοχή του Νέου Ηρακλείου χτυπήθηκε από ανεμοστρόβιλο. Όπως όλα δείχνουν ο συγκεκριμένος ανεμοστρόβιλος δημιουργήθηκε στο Γαλάτσι και διαλύθηκε στη Λυκόβρυση. Στο διάστημα αυτό υπήρξαν διάφορες καταγραφές του φαινομένου από βίντεο, αλλά θα εστιάσουμε προς το παρόν μόνο σε δύο. Το πρώτο (Α) αφορά το βίντεο που κατέγραψε ο γράφων μιας και ο ανεμοστρόβιλος πέρασε σε απόσταση 200 μέτρων καθιστώντας το την κοντινότερη καταγραφή του φαινομένου.  Το δεύτερο (Β) είναι το βίντεο το οποίο έδωσε και την εικόνα του ανεμοστρόβιλου τελικά και καταγράφηκε από τον χρήστη Θανάση Ζ. και δημοσιεύτηκε στην παρούσα σελίδα.

Ύστερα από ανάλυση του ήχου στα δύο βίντεο μέσω του open source προγράμματος audacity πήρα τα spectograms που δείχνουν την ένταση των συχνοτήτων συναρτήσει του χρόνου. Ο κάθετος άξονας είναι η συχνότητα σε kHz και ο οριζόντιος είναι ο χρόνος σε δευτερόλεπτα. Επιπλέον, η ένταση κάθε συχνότητας αναπαρίσταται με την διαφοροποίηση των χρωμάτων, με την συγκεκριμένη απεικόνιση να δηλώνει μεγαλύτερη ένταση με πιο θερμά χρώματα.

Figure 1: Spectogram A, παρατηρούμε ότι οι χαμηλές συχνότητες κάτω από τα 100Hz έχουν μεγαλύτερη ισχύ από κάθε άλλη συχνότητα σε όλη τη διάρκεια του βίντεο.

Figure 2: Spectogram B, παρόμοια εικόνα με το Spectogram A, όμως φαίνεται ακόμα πιο καθαρά η έμφαση στις πολύ χαμηλές συχνότητες.

Από τα παραπάνω βλέπουμε την μεγαλύτερη ένταση των πολύ χαμηλών συχνοτήτων. Αξίζει να σημειωθούν κάποια πράγματα σε αυτό το σημείο. Η ευαισθησία των μικροφώνων σε αυτές τις συχνότητες συνήθως είναι αρκετά μικρότερη από αυτές που είναι καλά αντιληπτές στην ανθρώπινη ακοή οπότε η πραγματική ένταση ήταν ακόμα μεγαλύτερη. Η ανθρώπινη ακοή οριακά φτάνει σε αυτές τις συχνότητες και διαφέρει από άνθρωπο σε άνθρωπο και από ηλικία σε ηλικία. Τα ακουστικά και τα ηχεία μας δύσκολα αναπαράγουν αυτές τις συχνότητες οπότε πρακτικά όταν βλέπουμε τα βίντεο έχουμε χάσει την πληροφορία που υπάρχει καταγεγραμμένη σε αυτά. Τέλος, αυτές οι χαμηλές συχνότητες διαδίδονται σε μεγαλύτερη απόσταση χωρίς να εξασθενούν ιδιαίτερα σε σχέση με τις υψηλότερες συχνότητες.

Πώς παράγονται, όμως, αυτές οι συχνότητες σε έναν ανεμοστρόβιλο; Παρόλο που οι μηχανισμοί που παράγουν αυτούς τους ήχους δεν είναι καλά μελετημένοι, υπάρχουν θεωρητικά μοντέλα που επιχειρούν να εξηγήσουν την ύπαρξή τους, όπως αυτό του Abdullah, A.J. (1966), που βασίζονται σε ακτινικές ταλαντώσεις του ανεμοστρόβιλου ή σε αλληλεπίδραση της δίνης με την τύρβη στο οριακό στρώμα.

Πηγαίνοντας ένα βήμα παρακάτω στην ανάλυση του βίντεο Α, με την μέθοδο του autocorrelation μπορούμε να ξεχωρίσουμε τις συχνότητες που επαναλαμβάνονται στο δείγμα μας. Στο figure 4 βλέπουμε το αποτέλεσμα για όλη την χρονική διάρκεια του βίντεο τις συχνότητες κάτω από 40Hz.

Figure 4: Autocorrelation για το βίντεο Α στις συχνότητες <40Hz.

Είναι εμφανές στο figure 4 ότι υπάρχουν συγκεκριμένες συχνότητες που επαναλαμβάνονται στο βίντεο A και οι οποίες εμφανίζονται και στο βίντεο Β και μάλιστα με παρόμοια κατανομή, πράγμα εντυπωσιακό αν σκεφτεί κανείς ότι το Β τραβήχτηκε μερικά λεπτά πριν το Α, όταν μάλιστα ο ανεμοστρόβιλος είχε μεγαλύτερη ισχύ. Η σύγκριση των 2 φαίνεται στα figure 5 και 6.

Figure 5: Autocorrelation για το βίντεο Α (μπλε γραμμή) και για το βίντεο Β (κόκκινη διακεκομμένη) για τις συχνότητες <40Hz.

Figure 6: Autocorrelation για το βίντεο Α (μπλε γραμμή) και το βίντεο Β (κόκκινες κουκκίδες) για τις συχνότητες από 2 έως 5 Hz.

Ένα ακόμα στοιχείο που παρατηρεί κανείς πραγματοποιώντας την παραπάνω διαδικασία στο βίντεο Α αν το “σπάσει” σε 6 κομμάτια των 10 δευτερολέπτων είναι ότι οι ίδιες συχνότητες εμφανίζονται με λίγο διαφορετικά χαρακτηριστικά σε όλες τις περιόδους. Βλέποντας το figure 7 μπορούμε να εξηγήσουμε καλύτερα και τα figures 5 & 6.

Figure 7: Autocorrelation του βίντεο Α σε 6 χρονικά παράθυρα διάρκειας 10 δευτερολέπτων. Αντιστοίχιση των χρωμάτων με τις χρονικές περιόδους είναι η εξής, 0-10s μπλε, 10-20s πορτοκαλί, 20-30s πράσινο, 30-40s κόκκινο, 40-50s μωβ, 50-60s καφέ.

Εν κατακλείδι, οι συχνότητες που ανιχνεύθηκαν στα βίντεο θα μπορούσαν να μας δώσουν περισσότερα στοιχεία σχετικά με την ένταση και την διάμετρο του ανεμοστρόβιλου και το παρόν άρθρο είναι μια ανοιχτή πρόσκληση για όποιον θελήσει να ασχοληθεί σε μεγαλύτερο βάθος στο μέλλον.