Voiko valaiden kutsuääni rikkoa fysiikan lakeja?
Valaita vedenalaisilla mikrofoneilla paikantava merentutkija John Spiesberger huomasi taannoin laskelmissaan jotain, mikä vaikutti ensin ohjelmointivirheeltä. Valaan kutsuääni näytti kulkevan merivedessä hetkittäin jopa noin 3 000 metriä sekunnissa, vaikka äänen nopeus merivedessä on tyypillisesti vain noin 1 500 metriä sekunnissa.
Erikoisesta havainnosta kirjoittaa Gizmodo. Spiesbergerin ja Woods Hole Oceanographic Institutionin Eugene Terrayn tutkimus on julkaistu Physical Review E -tiedelehdessä. Tutkimusta esittelee myös Pennsylvanian yliopisto tiedotteessaan.
Fysiikan lakeja valaat eivät kuitenkaan riko. Selitys löytyy aaltojen interferenssistä ja siitä, mitä vastaanotin oikeastaan mittaa.
Valaita seurataan merillä muun muassa hydrofoneilla. Hydrofoni on vedenalaisten äänten vastaanottamiseen tarkoitettu mikrofoni, joka muuttaa veden painevaihtelut sähköiseksi signaaliksi. Herkillä hydrofoneilla voidaan havaita esimerkiksi valaiden matalataajuisia kutsuääniä hyvin pitkien matkojen päästä. Spiesbergerin mukaan sillivalaan ääni voidaan kuulla yhdellä hydrofonilla jopa noin 100 kilometrin etäisyydeltä, Gizmodo kertoo.
Useista hydrofoneista muodostetulla verkolla voidaan myös määrittää valaan sijainti. Kun sama kutsuääni saapuu eri puolille merenpohjaa sijoitettuihin vastaanottimiin hieman eri aikoina, eläimen paikka voidaan laskea näistä aikaeroista.
Juuri tässä syntyi tutkimuksessa havaittu ongelma.
Kun valas ääntelee lähellä meren pintaa, osa äänestä kulkee suoraan hydrofoniin. Osa puolestaan etenee ensin pintaan, heijastuu siitä ja saapuu vastaanottimeen hieman myöhemmin. Eri reittejä kulkeneet ääniaallot voivat interferoida eli vahvistaa tai heikentää toisiaan.
Interferenssi voi lisäksi muuttaa vastaanotetun äänipulssin muotoa niin, että sen voimakkain huippu siirtyy ajassa aikaisemmaksi. Jos äänen saapumishetki määritetään tämän huipun perusteella, laskennallinen tulos voi näyttää siltä kuin ääni olisi kulkenut vedessä todellista nopeammin.
Spiesberger sai ohjelmallaan aluksi noin 1 000 metrin sekuntinopeuksia, mutta myöhemmin vastaan tuli jopa noin 3 000 metriä sekunnissa. Hän epäili ensin ohjelmointivirhettä. Koodin tarkistaminen osoitti kuitenkin, että laskelmat kuvasivat todellista aaltoilmiötä.
Ratkaisevaa on, ettei itse informaatio etene äänennopeutta nopeammin. Tavallista nopeammin näyttää liikkuvan vain interferenssin muokkaaman signaalin huippu. Tutkijat yhdistävät ilmiön erityisen suhteellisuusteorian yhteydessä tunnettuun periaatteeseen, jonka mukaan aaltojen huiput voivat tietyissä olosuhteissa näyttää ylittävän normaalin etenemisnopeuden ilman, että informaatio tai syy-seuraussuhde rikkoisi fysiikan nopeusrajoja.
Havainnolla voi olla käytännön merkitystä valaiden seurannassa. Jos hydrofoniverkko tulkitsee interferenssin siirtämän huipun äänen todelliseksi saapumishetkeksi, valaan laskettu sijainti voi olla satoja metrejä väärässä.
Tulokset perustuvat vielä teoriaan ja simulaatioihin. Spiesberger aikoo seuraavaksi yrittää osoittaa ilmiön kokeellisesti mikrofoneilla ja kovasta pinnasta heijastuvalla äänellä. Myöhemmin vastaavaa vaikutusta voitaisiin tutkia myös valolla.
Tutkimus osoittaa samalla yhden nykyaikaisten anturijärjestelmien haasteista: erittäin tarkkakaan mittalaite ei välttämättä anna oikeaa vastausta, jos mitattavan signaalin käyttäytymistä tulkitaan liian yksinkertaisella mallilla. Vedenalaisessa paikannuksessa heijastukset ja monitie-eteneminen voivat muuttaa paitsi signaalin voimakkuutta myös sen näennäistä saapumisaikaa.