Det är inte skillnaderna i temperatur mellan den kalla vintermorgonen och den varma sommareftermiddagen som ger denna tydliga effekt. Det är istället hur temperaturen ändrar sig med höjden i ett skikt nära marken som ger olikheterna.
Både vindens och temperaturens förändring med höjden ger upphov till att ljudvågorna böjs ned (vintermorgonen) eller upp (sommareftermiddagen). Under ett dygn medför detta att ljudnivån från exempelvis en trafikled kan ändra sig med mer än 20 dBA.
Det betyder att ljudet hörs mer än tio gånger så långt i vinterfallet. När en ljudvåg utbreder sig kommer syre- och kvävemolekylerna att rotera och vibrera olika mycket beroende på temperatur, fuktighet och lufttryck.
En viss ljudenergi omvandlas då till rörelseenergi och ljudnivån blir lägre. Detta kallas för atmosfärsabsorption. Den är högre ju högre frekvens ljudet har och ökar också med temperaturen.
För temperaturer kring 20° inträffar maximal dämpning vid 15-20 % relativ fuktighet, medan maximal dämpning för låga temperaturer ligger vid 60-100 % fuktighet. Det är denna effekt, som gör att avlägsna ljudkällor mullrar, dvs att höga frekvenser har dämpats bort.
Åska kan höras upp till fyra mil
En intressant fråga är hur långt ljud kan höras. Ljudkällans styrka är givetvis av avgörande betydelse. Ju starkare ljudkällan är desto längre kan ljudet höras. Åska hörs vanligen 15-20 km bort, men då skall vi tänka på att skiktningen under molnet snarare böjer upp ljudvågen än ner.
Om temperaturen istället ökar med höjden utanför molnet så kan säkert åskan höras på betydligt större avstånd och kanske ända upp till 40 km. Om ljudet utbreder sig i olika skikt där temperatur och vind böjer ljudet ner respektive upp kan det höras på mycket stora avstånd.
Ljud som utbreder sig över ett kallt hav med varmare luft ovanför eller om det förekommer skikt med vindökning en bit upp hörs på stora avstånd.
Maximalt gynnsamma förhållanden
Den ur ljudutbredning mest gynnsamma situationen borde kunna uppstå om vi har två skikt, som ligger ovanpå varandra. I det övre skiktet sker nedåtböjning (medvind/temperaturtilltagande) och i det undre sker uppåtböjning (motvind/temperaturavtagande).
I detta fall kan ljudet föras mycket långt och bara utbreda sig i horisontell led. Eftersom ljudvågen inte når marken så blir det ingen markdämpning. Är det dessutom kallt och torrt så blir atmosfärsdämpningen liten.
Om ljudet utbreder sig i en atmosfär där vare sig temperatur eller vind ändras så avtar ljudnivån med 6 dB för varje gång avståndet mellan ljudkälla och mottagare fördubblas.
Om ljudet i stället utbreder sig i en skiktad atmosfär, där inte ljudet kan utbredas i vertikal led, så avtar ljudnivån med 3 dB per avståndsdubblering (a.d.).
Om ljudet sedan kan höras på en plats avgörs av vilken ljudnivå från andra ljudkällor vi har på den platsen. På tysta platser långt från trafikleder med mera kan vi höra riktigt avlägsna ljudkällor men inte mitt i en stad, eftersom stadens larm överröstar de avlägsna ljudkällorna.
Diagrammet ovan visar hur ljudnivån avtar med avståndet från en punkt 10 m från en ljudkälla på 100 dB med frekvensen 1000 Hz (en atmosfärsdämpning på 3,2 dB/km har använts, vilket motsvarar det lägsta 5 %-värdet för ljudabsorption för 1000 Hz i Sverige).
Rött = Ljudet sprids fritt åt alla håll. Ingen ändring i vind och temperatur.
Blått = Temperatur och vind ökar med höjden och stoppar ljudet från att spridas vertikalt.
Figuren visar hur långt ett ljud på 100 dB och frekvensen 1000 Hz kan höras. För lägre frekvenser kommer ljudet att höras längre bort. Det betyder att det är fullt möjligt att höra ett lågfrekvent ljud från detonationer på 30-35 km avstånd.