Infrageluid: het geluid dat je niet hoort maar wel kan meten
Infrageluid is geluid met een toonhoogte zo laag dat het menselijk oor het niet kan waarnemen. Waar we normaal gesproken geluid horen tussen ongeveer 20 en 20.000 trillingen per seconde (hertz, afgekort Hz), gaat het bij infrageluid om trillingen onder de 20 Hz. Denk aan het diepe, bijna voelbare gerommel dat je soms opvangt als een zware vrachtwagen passeert, of de dreun die je in je borstkas voelt bij een vuurwerkexplosie vlakbij: dat zit al tegen de grens van wat we nog horen. Ga je nog lager in toonhoogte, dan verdwijnt het geluid voor onze oren volledig, maar de trillingen in de lucht zijn er nog wel degelijk.
Een sprekend voorbeeld: een vulkaanuitbarsting of een grote explosie stuurt drukgolven de atmosfeer in die met gevoelige instrumenten nog duizenden kilometers verderop zijn op te vangen, ook al hoort niemand daar iets. Dat is precies waarom infrageluid zo interessant is geworden voor wetenschappers: het reist ver, dringt door muren en gebouwen heen, en verraadt gebeurtenissen die je anders zou missen — van een ondergrondse kernproef tot een olifant die kilometers verderop met soortgenoten "praat".
Wat is het precies?
Geluid is niets anders dan een drukgolf die zich voortplant door een medium, meestal lucht. Hoe vaak die golf per seconde op en neer beweegt, bepaalt de toonhoogte: dat is de frequentie, uitgedrukt in hertz. Mensen horen doorgaans tussen 20 Hz en 20.000 Hz, met veel individuele variatie. Infrageluid zit onder die ondergrens en kan zich uitstrekken tot frequenties van 0,001 Hz, dus golven die er seconden tot minuten over doen om één trilling te voltooien.
Om infrageluid te meten, gebruiken onderzoekers geen gewone microfoons maar microbarometers: extreem gevoelige druksensoren die piepkleine schommelingen in de luchtdruk registreren. Eén sensor volstaat niet om te bepalen waar een signaal vandaan komt. Daarom worden meestal meerdere microbarometers in een array (een cluster van sensoren op enkele honderden meters tot een paar kilometer van elkaar) neergezet. Door de minieme tijdsverschillen te vergelijken waarmee eenzelfde golf bij elke sensor aankomt, kunnen onderzoekers de richting en zelfs een schatting van de afstand van de bron berekenen — een soort akoestische triangulatie.
Wat infrageluid bijzonder maakt, is de reikwijdte. Lage frequenties verliezen veel minder energie aan de lucht dan hoge frequenties, waardoor infrageluid duizenden kilometers kan afleggen zonder helemaal weg te ebben. Bovendien kan het signaal via lagen in de atmosfeer (zoals de stratosfeer en soms de thermosfeer) als het ware terugkaatsen en zich zo als in een golfgeleider over het aardoppervlak verplaatsen. Daardoor kan een gebeurtenis aan de ene kant van de wereld in principe aan de andere kant nog worden opgepikt, al hangt dat sterk af van de weersomstandigheden en windpatronen hoog in de atmosfeer.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter infrageluidonderzoek is verificatie: kunnen we vaststellen of, waar en wanneer een kernwapentest heeft plaatsgevonden, ook als een land dat probeert te verbergen? Explosies produceren namelijk een heel karakteristiek infrageluidsignaal, dat te onderscheiden is van bijvoorbeeld donder of een aardbeving. Dit vormt de basis voor internationale controle op het Alomvattend Kernstopverdrag (CTBT).
Daarnaast wordt infrageluid ingezet als vroegtijdig waarschuwingssysteem voor natuurverschijnselen. Vulkaanuitbarstingen, zware onweersbuien, tornado's, lawines, aardbevingen en zelfs meteorieten die de dampkring binnenkomen, laten allemaal een infrageluidspoor na. Door dat continu te monitoren, hopen wetenschappers gevaarlijke gebeurtenissen sneller te signaleren, soms al voordat ze op andere manieren zichtbaar worden.
Een derde, heel ander toepassingsgebied is de bestudering van dierlijke communicatie. Sommige dieren, zoals olifanten, walvissen en giraffen, gebruiken infrageluid om over grote afstanden met elkaar te communiceren, iets dat mensen zonder apparatuur nooit zouden opmerken. Tot slot loopt er discussie over mogelijke gezondheidseffecten van infrageluid, bijvoorbeeld rond windturbines; hierover bestaat nog geen wetenschappelijke consensus.
Voorbeelden uit de praktijk
De Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization (CTBTO) in Wenen beheert het International Monitoring System, een wereldwijd netwerk dat voor een belangrijk deel bestaat uit infrasound-stations (naast seismische, hydro-akoestische en radionuclide-sensoren). Het netwerk is ontworpen rond bijna zestig infrasound-arrays verspreid over de wereld en wordt sinds de jaren 2000 en 2010 stap voor stap uitgebouwd en verfijnd.
Dit netwerk speelde een rol bij het detecteren van de Noord-Koreaanse kernproeven in 2006, 2009, 2013, 2016 en 2017, waarbij infrageluidgegevens de seismische waarnemingen aanvulden en hielpen bevestigen dat het om bovengrondse of ondiepe explosies ging.
Een van de meest besproken infrageluidgebeurtenissen ooit was de meteoorexplosie boven Tsjeljabinsk (Rusland) in februari 2013. De schokgolf van dit binnenkomende hemellichaam werd door tientallen IMS-stations wereldwijd geregistreerd en gold destijds als een van de sterkste infrageluidsignalen ooit gemeten door het netwerk, wat onderzoekers waardevolle data opleverde over de energie van de explosie.
Ook de zware explosie in de haven van Beiroet in augustus 2020 werd door infrasound-stations op grote afstand geregistreerd, wat bijdroeg aan latere schattingen van de vrijgekomen energie.
Op het gebied van vulkaanmonitoring gebruikt onder meer het Alaska Volcano Observatory infrageluidsensoren om vulkanen zoals Redoubt en Pavlof te volgen, omdat uitbarstingen vaak al vlak voor of tijdens het begin een herkenbaar infrageluidsignaal geven.
Tot slot is er het werk van bioakoestisch onderzoekster Katy Payne, die in de jaren tachtig ontdekte dat olifanten met infrageluid communiceren. Dat inzicht ligt aan de basis van het Elephant Listening Project van Cornell University, dat nog altijd olifantenpopulaties volgt via hun laagfrequente roepen.
Hoe ver is de techniek?
De meettechniek zelf — gevoelige microbarometers, gecombineerd in arrays — is inmiddels volwassen en operationeel bij honderden stations wereldwijd. Het CTBTO-netwerk nadert de voltooiing van zijn oorspronkelijke ontwerp, al zijn niet alle geplande stations overal ter wereld even stabiel operationeel; onderhoud, afgelegen locaties en politieke omstandigheden spelen soms parten.
De grootste huidige uitdaging zit niet zozeer in de sensoren, maar in de interpretatie van de signalen. Wind en lokale turbulentie veroorzaken ruis die een zwak signaal kan overstemmen. Bovendien varieert de manier waarop infrageluid zich door de atmosfeer verplaatst voortdurend, afhankelijk van wisselende winden hoog in de stratosfeer. Datzelfde signaal kan de ene dag goed doorkomen en de andere dag helemaal niet, wat het lastig maakt om met zekerheid te zeggen dat een gebeurtenis niet heeft plaatsgevonden alleen omdat er niets is gemeten.
Recente vooruitgang zit vooral in software: onderzoekers passen steeds vaker machine learning toe om automatisch onderscheid te maken tussen bronnen zoals donder, explosies, vulkanen en industriële activiteit. Dat werk staat nog volop in ontwikkeling en is niet foutloos; menselijke analisten blijven voorlopig nodig om signalen te controleren. Over gezondheidseffecten van infrageluid, bijvoorbeeld bij windturbines, bestaat vooralsnog geen overtuigend wetenschappelijk bewijs voor directe schade, al loopt onderzoek naar subtielere effecten door.
Wie werken eraan?
De CTBTO in Wenen coördineert het wereldwijde infrasound-netwerk, maar de feitelijke stations worden vaak beheerd door nationale instituten. In Europa gaat het onder meer om NORSAR in Noorwegen, het Franse CEA (Commissariat à l'énergie atomique) en het Duitse BGR (Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe).
In de Verenigde Staten houden onder andere Los Alamos National Laboratory, Sandia National Laboratories en de Air Force Technical Applications Center (AFTAC) zich bezig met infrageluidonderzoek, vaak met een link naar non-proliferatiebeleid. Academisch onderzoek gebeurt bijvoorbeeld aan Boise State University en Southern Methodist University, beide bekend om hun infrasound-onderzoeksgroepen, en aan de University of Alaska Fairbanks voor vulkaanmonitoring.
Voor natuurlijke gevaren werken instanties als het Amerikaanse USGS (United States Geological Survey) en NASA aan infrageluidtoepassingen voor vulkanen en meteoorwaarnemingen. Op het vlak van dierlijke communicatie is Cornell University, met zijn Elephant Listening Project, een van de bekendste voortrekkers.
Verder lezen
- CTBTO — internationale organisatie voor het kernstopverdrag en het International Monitoring System
- USGS — Amerikaanse geologische dienst, o.a. vulkaan- en aardbevingsmonitoring
- NASA — onderzoek naar infrageluid bij vulkanen en meteoren
- Cornell Lab of Ornithology — bioakoestisch onderzoek, waaronder het Elephant Listening Project
- NOAA — Amerikaanse dienst voor oceaan- en atmosfeeronderzoek