Hljóðljómun (1) á sér stað þegar hljóðbylgjum af vissum styrk og tíðni er beint að loftbólu í vatnslausn. Loftbólan magnar hljóðorkuna allt að billjónfalt (2) og gefur að lokum frá sér ljósbjarma. Má í raun segja að hljóði sé breytt í ljós.
Gerður er greinarmunur á hljóðljómun í einni loftbólu og mörgum.(3) Sama ferli á í hlut en einfaldara er að rannsaka og skýra frá hljóðljómun einnar loftbólu. Mun ég því aðallega fjalla um hana.
Þrátt fyrir að hljóðljómun hafi verið uppgötvuð á seinustu öld eru enn skiptar skoðanir um orsakir hennar og hvað gerist innan í loftbólunni sem veldur ljósbjarmanum. Ýmsar kenningar hafa verið settar fram og keppast vísindamenn við að komast til botns í málinu. Telja sumir að hljóðljómun geti valdið kjarnasamruna (4) en sú hugmynd er afar umdeild.

Saga hljóðljómunar
Fyrir um 70 árum tóku vísindamenn fyrst eftir því að væri hljóðbylgjum beint að vatnslausn hvötuðu þær efnahvarf. Einn þessara vísindamanna var R. Mecke. Hann veitti því eftirtekt að sú orka sem hvarfið gaf frá sér var jöfn orku ljóseindar. Taldi hann því mögulegt að hvarfið gæti gefið frá sér ljós. Þýsku vísindamennirnir H. Frenzel og H. Schultes heilluðust af þessari hugmynd Meckes og hófu rannsóknir árið 1934. Þetta var í fyrsta sinn sem vísindamenn rannsökuðu hljóðljómun í mörgum loftbólum.
Í tilraun Frenzels og Schultes var hljóðbylgjum af mismunandi styrk og tíðni beint að laug fylltri af vatni og gáfu þá loftbólur sem voru í vatninu frá sér ljósbjarma. Þar sem loftbólurnar þöndust út og drógust saman á víxl í vökvanum töldu Frenzel og Schultes skýringuna á þessu dularfulla fyrirbrigði vera stöðurafmagn. Ljósbjarminn væri aðeins losun hleðslu sem myndaðist við núning milli loftbólnanna og vökvans. (5)
Vísindamenn héldu tilraunum áfram í nokkur ár en þar sem hljóðljómun í mörgum loftbólum er mjög óstöðug reyndist erfitt að komast að nokkurri niðurstöðu. Það var því ekki fyrr en á 9. áratugnum þegar vísindamönnum tókst að rannsaka hljóðljómun í einni loftbólu að aftur hljóp líf í rannsóknir á fyrirbrigðinu.

Hljóðljómun
Þrátt fyrir að vísindamenn séu ósammála um margt varðandi hljóðljómun eru nokkur atriði sem tilraunir hafa leitt óyggjandi í ljós og sátt hefur náðst um. Rétt er að víkja lítillega að þeim áður en lengra er haldið.
Hljóðljómun verður þegar hljóðbylgjum, með styrkinn 110 desíbel og tíðni rétt fyrir ofan heyrnarsvið manns, er beint að loftbólu, sem er um það bil 10 µm (6) að þvermáli. Ásamt því að valda hljóðljómun vinna hljóðbylgjurnar gegn uppdrifinu (7) og halda loftbólunni á floti í miðju ílátinu.
Þegar þynning verður í hljóðbylgjunni (8) verður þrýstingurinn fyrir utan loftbóluna mun minni en innan í henni og til þess að bregðast við þessari þrýstingsbreytingu þenst loftbólan út þar til að þvermál hennar er orðið um 100 µm. Þar sem fjöldi loftsameinda innan í loftbólunni hefur haldist sá sami á meðan rúmmál hennar hefur aukist nær hundraðfalt myndast hálfgert lofttæmi innan í henni.
Þegar að næstu þéttingu kemur myndast fyrir utan loftbóluna mikill þrýstingur og veldur þessi þrýstingsmunur því að loftbólan hrynur saman og verður að lokum um það bil 1 µm í þvermál. Hún getur ekki orðið minni vegna fráhrindikraftsins sem verkar á milli loftsameindanna. Við hrunið, sem gerist á um það bil 50 µs (9), verður mikil innræn hitun í loftbólunni (10) og er hitastigið innan í henni nú 10.000 K. Einnig myndast mikill þrýstingur, um 10.000 loftþyngdir og næg orka myndast til að sameindirnar innan í loftbólunni losni hver frá annarri. Þá gefur loftbólan frá sér ljósbjarma sem varir að meðaltali í 208 ps.
Athuganda virðist bjarminn vera bláleitur og mjög daufur enda er aðeins lítill hluti ljóssins á sýnilega sviðinu. (11) Ljósið er að mestu leyti útfjólublátt (12) en þó er möguleiki á að loftbólan gefi frá sér orkuríkara ljós, til dæmis röntgengeisla. (13) Mælingar á þessu hafa þó gengið erfiðlega þar sem að ljós sem hefur meiri orku en 6 eV kemst ekki í gegnum vatn.
Hljóðljómun er mjög viðkvæm fyrir ytri áhrifum. Lægra hitastig eykur styrk ljósbjarmans og nauðsynlegt er að argon eða einhver önnur eðallofttegund sé í loftbólunni til að hljóðljómun verði.

Kenning S. Puttermans
Sú kenning sem á mestum vinsældum að fagna meðal vísindamanna er kenning Seth Puttermans, prófessors í eðlisfræði við U.C.L.A. háskóla og eins fremsta vísindamanns á sviði hljóðljómunar. Samkvæmt henni myndast kúlulaga höggbylgja við hrun loftbólunnar. Hún getur aðeins myndast haldist loftbólan algerlega kúlulaga og samhverf. Höggbylgjan magnar orkuna og eykur hitann. Þetta gerist vegna þess að hitastigið bakvið höggbylgju er hærra en fyrir framan hana. Hitastigið ræðst af svokallaðri Mach-tölu (14) höggbylgjunnar en hún stefnir á óendanlegt þegar höggbylgjan færist nær miðju loftbólunnar . Putterman telur líklegt að höggbylgjan haldist kúlulaga niður í 0,1 µm radíus og gæti hitastigið því orðið allt að 100.000 K.
Þetta kemur vel heim og saman við litrófsmælingar úr tilraunum Puttermans. Samkvæmt þeim er lægsta mögulega hitastig innan í loftbólunni um 72.000 K. Það er sá hiti sem þarf til að mynda útfjólublátt ljós með orkuna 6 eV. Gefur þetta til kynna að heitt rafgas (15) myndist innan í loftbólunni og ef litróf hljóðljómunar er borið saman við litróf bremsugeislunar (16) kemur í ljós að það er nær alveg hliðstætt.

Kenning A. Prosperettis
Andrea Prosperetti, prófessor við John Hopkins háskóla, hefur sett fram aðra kenningu og nýtur hún einnig nokkurrar hylli. Hann telur að í stað þess að höggbylgjur myndist fari vatnsstrókur í gegnum loftbóluna á fimmföldum hljóðhraða og skelli á hlið loftbólunnar. Þetta veldur því að vatnssameindirnar hegða sér líkt og þær væru á föstu formi og eru kyrrar á sama stað. Kristalsbyggingin brotnar því í sundur við áreksturinn og losnar orka á formi ljóseinda. Hitastigið innan í loftbólunni yrði þá ekki hærra en 10.000 K.
Með þessari kenningu er einnig komin skýring á mikilvægi eðallofttegunda í hljóðljómun en þær valda göllum í kristalsbyggingu vatnsins og brotnar hún því frekar.
Prosperetti bendir á, kenningu sinni til stuðnings, hversu ólíklegt það er að loftbóla haldist fullkomlega kúlulaga þegar hún dregst saman eða þenst út. Einnig bendir hann á að ljósið sem myndast við hljóðljómun er ekki alveg samhverft í stefnu sinni en væri loftbólan fullkomlega samhverf og kúlulaga myndi slíkt ekki gerast.
Reynist þessar athuganir Prosperettis réttar myndast ekki höggbylgjur í loftbólunni og grunninum hefur verið kippt undan kenningu Puttermans.

Kjarnasamruni
Miklar vangaveltur hafa verið um hvort hljóðljómun geti valdið kjarnasamruna. Til þess að hann verði þarf hitinn innan í loftbólunni að vera gríðarlega hár. Einnig þarf þrýstingurinn að vera afar mikill og orkan að ná nokkrum MeV. Þessar aðstæður eru aðeins mögulegar sé kenning Puttermans rétt en þá gætu höggbylgjur náð að magna orkuna nægilega til að kjarnasamruni verði. Flestir vísindamenn telja þetta afar hæpið.
Nýlega gaf þó hópur vísindamanna við Oak Ridge rannsóknarstofuna úr yfirlýsingu þess efnis að þeir hefðu náð að mynda kjarnasamruna með hljóðljómun. Þeir notuðu tvívetnis aseton (17) í stað vatns og beindu að því 19,3 kHz hljóðbylgjum. Samtímis dældu þeir nifteindum með orkuna 14,3 MeV í asetonið. Mælingar vísindamannana gáfu til kynna talsvert magn af þrívetni (18) og nifteinda með orkuna 2,5 MeV en þessar eindir myndast við samruna tvívetnisatóma.
Annar hópur vísindamanna endurtók tilraunina með betri tækjabúnaði og fékk þá niðurstöðu að ekki hefði orðið kjarnasamruni. Verður því að teljast líklegast að annaðhvort hafi tilraun vísindamannanna við Oak Ridge rannsóknarstofuna verið gölluð eða þá að úrvinnsla gagna hafi verið röng. Verður því að bíða enn um sinn til að komast til botns í kjarnasamruna vegna hljóðljómunnar.

Hér hefur verið fjallað um hljóðljómun og hugsanlegar skýringar á henni. Þær tvær kenningar sem mestra vinsælda njóta í dag eru kenningar Puttermans og Prosperettis. Þær eru ósamrýmanlegar þar sem önnur gerir ráð fyrir samhverfu í loftbólu en hin gerir ráð fyrir að svo sé ekki. Aðrar kenningar hafa komið fram en þær þykja ótrúverðugar og hafa hlotið minni hljómgrunn. Hljóðljómun er ekki fullrannsökuð og nýjar rannsóknir gætu orðið til þess að veita frekari skýringar á orsökum hljóðljómunar. Þá vitneskju mætti ef til vill hagnýta til að framkalla kjarnasamruna. Með því fengist aðgangur að ódýrri og umhverfisvænni orkulind. Flest bendir til að kenning Puttermans sé rétt, í það minnsta aðhyllast flestir hana í dag. Sé þetta raunin er möguleiki á kjarnasamruna en aftur á móti er þess enginn kostur ef kenning Prosperettis er rétt. Verður því spennandi að fylgjast með framvindu rannsókna á sviði hljóðljómunar á komandi árum.

Neðanmálsgreinar:
(1) Á ensku sonoluminescence
(2) Á ensku trillion. Hér er um evrópska billjón að ræða það er milljón milljónir.
(3)Á ensku single-bubble sonoluminescence og multi-bubble sonoluminescence.
(4)Á ensku nuclear fusion. Kjarnasamruni verður þegar léttir kjarnar eru bræddir saman til að mynda þyngri kjarna. Við þetta losnar orka sem er jöfn bindiorku þyngri kjarnans.
(5)Frenzel og Schultes líktu loftbólunni við skó sem dregnir eru eftir teppi. Líkt og flestir hafa reynt myndast við það stöðurafmagn sem getur valdið neista þegar komið við hurðarhún eða einhvern annan hlut sem afhleður.
(6)Leisigeisli er notaður til að mæla radíus loftbólunnar.
(7)Á ensku buoyancy force. Uppdrif er kraftur sem myndast vegna þrýstingsmunar á milli efri og neðri flatar hlutar sem hefur verið færður á kaf í vökva. Uppdrifið er jafnt þyngd vökvans sem hluturinn ryður frá sér.
(8)Hljóðbylgjur eru svokallaðar langsbylgjur en í þeim skiptast á þynningar (þar sem undirþrýstingur er á viðkomandi svæði í bylgjuberanum) og þéttingar (þá er yfirþrýstingur á viðkomandi svæði).
(9)Nýlegar rannsóknir hafa þó gefið til kynna að ef hljóðbylgjum með tíðnina 700 kHz er beint að loftbólunni rétt áður en hún hrynur er hægt að flýta hruninu sem myndi auka ljósstyrkinn.
(10) Á ensku adiabatic heating. Hitaaukning verður án varmaaukningar.
(11)Sýnilegt ljós er á öldulengdum frá 400 nm (fjólublátt ljós) til 700 nm (rautt ljós).
(12)Útfjólublátt ljós er á öldulengdum frá 10 nm til 380 nm.
(13)Röntgengeislar eru á öldulengdum frá 10-12 m til 10-9 m og er orka röntgengeisla mörg keV.
(14)Á ensku Mach number. Mach-tala er hraði sem hlutfall af hljóðhraða.
(15)Á ensku plasma. Rafgas er fjórði fasi efnis og samanstendur af lausum rafeindum og jónum. Vatnsgufa breytist í plasma við hitastig sem er hærra en 100.000 K.
(16)Á ensku brehmsstrahlung. Bremsugeislun er geislun sem rafgas við 100.000 K gefur frá sér.
(17)Á ensku deuterated acetone. Deutrium, oft kallað tvívetni eða þungt vetni, er vetnissamsætan 2H.
(18)Á ensku tritium. Þrívetni er oft einnig kallað ofurþungt vetni og er vetnissamsætan 3H.

Heimildir:


1. [Án höfundar]. 1998, 24. júlí. „The shape of sonoluminescence”. PhysicsWeb.
Slóðin er: physicsweb.org/article/news/2/7/24.

2. Davíð Þorsteinsson. 1998. Aflfræði II. Höfundur sá sjálfur um útgáfuna, Reykjavík.

3. Dóra Hafsteinsdóttir og Sigríður Harðardóttir. 1990. „Biljón”, bls 155. Íslenska
alfræðiorðabókin A-G. Örn og Örlygur, Reykjavík.

4. Dóra Hafsteinsdóttir og Sigríður Harðardóttir. 1990. „Kjarnasamruni”, bls 278-279.
Íslenska alfræðiorðabókin H-O. Örn og Örlygur, Reykjavík.

5. Dóra Hafsteinsdóttir og Sigríður Harðardóttir. 1990. „Rafgas”, bls 72. Íslenska
alfræðiorðabókin P-Ö. Örn og Örlygur, Reykjavík.

6. Gaitan, Felipe. 1999, mars. „Sonoluminescence and bubble stability”. PhysicsWeb.
Slóðin er: physicsweb.org/article/world/12/3/4.

7. Pennicott, Katie. 2002, 5. febrúar. „Sound waves size up sonoluminescence”.
PhysicsWeb. Slóðin er: physicsweb.org/article/news/6/2/3.

8. Prosperetti, Andrea. [Án ártals og dagsetningar]. „Can sonoluminescence initiate or
facilitate nuclear fusion?”. „ Scientific American: Ask the Experts: Physics.
Slóðin er: www.sciam.com/askexpert/physics/physics28.html.

9. Putterman, S. J. 1995, febrúar. „Sonoluminescence: Sound into Light”. Scientific
American, bls. 32 –37.

10. Tarlton, Malcolm. [Án ártals og dagsetningar]. „The Sonoluminescence Process”.
Physics News Graphics. Slóðin er: www.aip.org/physnews/graphics/html/
sono1.htm.