ソニックブーム

どんな現象？

超音速で飛ぶ機体の周りにできた圧力の面が地面に届くと、ドンドンと二回聞こえます。機首側と機尾側の二枚が続けて届くためで、間隔は十分の一秒ほど。花火の破裂音とは違って胸を押されるような低い響きになり、屋内にいても窓や戸がかたかたと揺れることがあります。遠くの雷を短く切り取ったような音とも言われます。

なぜ起きるか

機体は前の空気を押しますが、押しの知らせは音の速さでしか広がれません。機体の方が速いので押しは横と後ろへ流され、円すいの形の面に積み上がります。円すいは機体につれて地面を掃き、通り過ぎる場所では圧力が急に上がってすぐ下がります。上がるときは外の空気が鼓膜を内へ押し、下がるときは内側の空気が押し返すので、耳は一発の打撃として受け取り、二枚ぶんで二回鳴ります。

どこで見られるか

地上で聞ける機会は多くありません。いまは陸の上を超音速で飛ぶことを制限している国が多いからです。宇宙船が帰ってくるときや、大きな流星が落ちたときには同じ音が届きます。地面での圧力の段差は数十パスカルほど、ふだんの気圧の二千分の一ほどですが、急に変わるので大きく感じます。

勘違いしやすいところ

音速を超える瞬間に一度だけ鳴ると思われがちですが、実際は飛んでいる間ずっと地上を帯のように掃き続けます。何かの膜を破った音でもなく、押しが積み重なった結果です。ふつうは窓が割れるほど強くはなく、低く飛ぶほど強くなる程度です。もとの現象は衝撃波で、帯の幅は高度の数倍に広がります。

解説動画（海外・英語）: The sonic boom problem - Katerina Kaouri／TED-Ed

1947年、ベルX-1: 最初の飛行機が飛んで間もなく、パイロットたちは速さを競った。ところが速度を上げていくと乱れと機体にかかる大きな力が増して、それ以上加速できない。危険な急降下で切り抜けようとする例もあり、悲惨な結果に終わることが多かった。1947年、全遊動式の水平尾翼などの改良を得たアメリカ軍のチャック・イェーガーがベルX-1で時速1127キロを出し、初めて音速を超える。のちの機体はマッハ3超へ届いた。

波面は池の輪と同じ: 静かな池に小石を投げると、波はどの向きにも同じ速さで広がる。この広がっていく輪が波面。音も同じで、止まっている音源からは同心の球面として波面が出ていき、音はその面に垂直な線に沿って進む。速さは空気の高度と温度で決まり、海面高度では時速およそ1225キロ。

詰まる波面とマッハコーン: 音源が動くと進行方向の波面が次々に間隔を詰める。この詰まりがドップラー効果で、近づくものほど高く聞こえる。音源が音より遅いうちは波面は入れ子のままだが、音より速く動いた瞬間に話が変わる。自分の出した波を追い越しながら新しい波を出すので、波面が押し合って円錐（マッハコーン）になる。このとき生じる衝撃波が雷のような音のソニックブームで、下にいる人や動物を苦しめ、建物を傷めることもある。

N波は二度鳴っている: 機体のほうが速いので近づいてくる間は何も聞こえず、通り過ぎてから初めてブームが届く。円錐が地面と交わる線は双曲線で、進みながら残す帯がブームカーペット。強さはナビエ–ストークス方程式を解いて圧力の変わり方を求め、出てくる形がN波だ。機首で圧力が跳ね上がるときと、尾部が過ぎて圧力がもとに戻るときの二度鳴る。人の耳には一度に聞こえる。

自然のほうが先だった: 陸上での超音速飛行はいまも禁じられていて、影響を和らげる研究が続く。いっぽう巨大なディプロドクスは尻尾を時速1200キロ超で振って音速を超え、捕食者を退けていた可能性がある。一部のエビは大きなはさみを弾いて水中に同じような衝撃波を作り、離れた獲物を気絶させたり殺したりする。