Гравитационные волны и волны пространства-времени: в чем разница

Наука и жизньНаука

Гравитационные волны в атмосферах планет

Екатерина Стариченко, Институт космических исследований РАН

Поверхностные волны на Балтийском море, г. Светлогорск. Фото Екатерины Стариченко

Упоминание о волнах заставляет нас вспомнить морской прибой или же волны посреди океана — большие штормовые либо мелкую рябь. Формируются они в основном из-за действия ветра на поверхность моря и называются поверхностными гравитационными волнами (англ. — gravity waves). Гравитационные они потому, что на поднявшийся гребень волны действует сила гравитации, заставляя его опуститься обратно. Одновременно образовавшаяся подошва («впадина») волны под действием силы плавучести (силы Архимеда) стремится восстановить своё первоначальное положение. Хотя данные волны имеют одинаковое название, с гравитационными волнами, подразумевающими колебания пространства-времени (англ. — gravitational waves), не стоит их путать. Как внимательный читатель уже мог заметить, в английском языке они носят разные имена.

Волны на поверхности воды распространяются только в горизонтальном направлении, потому и называются поверхностными, однако подобные гравитационные волны могут существовать и внутри среды (воды, воздуха) и распространяться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. Их называют внутренними гравитационными волнами. По сути, поверхностные волны и внутренние волны — одно и то же, так как обусловлены силой тяжести. Только на поверхности воды им уже невозможно распространяться по вертикали, так как это граница раздела двух сред (вода — воздух), и они распространяются лишь по горизонтали.

Главные условия существования таких волн — постепенное изменение плотности среды с высотой и устойчивое состояние этой среды, в которой не происходит процесса конвекции (перемешивания воды или воздуха).

В случае атмосферы плотность убывает с высотой, и температура тоже меняется, хотя и имеет более сложный характер. Распределение температуры воздуха по высоте называется стратификацией атмосферы. Она характеризуется вертикальным градиентом температуры (изменение температуры с высотой). Если стратификация атмосферы устойчива, то в ней, как и в жидкости, могут зародиться гравитационные волны, обусловленные силой тяжести.

При смещении объёма воздуха вверх/ вниз на него будет действовать возвращающая сила (сила гравитации или сила плавучести) и пытаться восстановить равновесие атмосферы, таким образом возбуждая волну, распространяющуюся в вертикальном и горизонтальном направлениях. Вертикальная длина волны (расстояние от одного пика волны до следующего) в воде варьируется в диапазоне от десятков сантиметров до нескольких метров, в воздухе — от единиц до десятков километров. При этом горизонтальная длина волны в обеих средах составляет от десятков до сотен километров. В воздухе с ростом высоты амплитуда волны увеличивается из-за уменьшения плотности атмосферы. Затем, когда стратификация атмосферы становится неустойчивой (или амплитуда волн становится слишком большой), вступают в действие нелинейные процессы и амплитуда перестаёт расти, волна разрушается (диссипирует) и передаёт свою энергию и импульс окружающей атмосфере, таким образом влияя на погоду и динамику атмосферы планеты.

Рельеф атмосферных гравитационных волн, запечатлённый на облаках. Фото Дарьи Евдокимовой, ИКИ РАН

Стоит отметить, что распространение волны и вещества внутри среды происходит с разными скоростями и может даже совершаться в противоположных направлениях. Как пример, вспомним, как какая-нибудь бутылка или другой мусор раскачиваются на волнах, но при этом остаются на одном месте. Это говорит о том, что сама вода только «рисует» волну, оставаясь на своём месте, подобно болельщикам на спортивном стадионе, которые могут создать «волну», лишь вставая и садясь обратно на своё место.

Первое задокументированное наблюдение внутренних гравитационных волн в морской среде принадлежит норвежскому полярному исследователю Фритьофу Нансену: когда осенью 1893 года продвижение его судна «Фрам» было сильно замедлено явлением «мёртвой воды». Несмотря на то, что мотор вырабатывал полную мощность, судно крайне медленно продвигалось вперёд. Явление объяснил шведский океанолог Вагн Экман. Возникло оно в результате наложения более лёгкого слоя пресной, растаявшей ледниковой воды на тяжёлую солёную морскую воду. Как оказалось, вся энергия мотора уходила на создание внутренних гравитационных волн на границе этих слоёв, а не на движение судна.

Атмосферным гравитационным волнам не уделялось внимания вплоть до 20—30-х годов прошлого века, когда началось бурное развитие авиации. Дело в том, что гравитационные волны в атмосфере создают значительное препятствие движению воздушных судов, так как вызывают явление турбулентности. Именно поэтому при вхождении самолёта в зону турбулентности пассажиры испытывают неприятную тряску и стресс. Распространение волн иногда можно определить по присутствию тонких слоёв вытянутых облаков, следующих друг за другом. Однако наличие гравитационных волн не всегда сопровождается присутствием облаков. Такое явление называется «турбулентностью ясного неба», его трудно обнаружить заранее, и оно представляет существенную опасность для летательных аппаратов.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизнь
В городе дождей В городе дождей

Обустройство квартиры для сдачи в аренду — задача со многими неизвестными

Идеи Вашего Дома
Как в кино Как в кино

В давние времена функцию кино выполняла народная сказка

Вокруг света
Грани и границы Грани и границы

Петр Рыков играет на грани

Men Today
21 год сражений 21 год сражений

Северная война полностью изменила географию Балтийского региона

Дилетант
Эпохальное восьмилетие Эпохальное восьмилетие

Какой была «ельцинская эпоха» независимой России?

Дилетант
Заповедная зона Заповедная зона

Самобытная вилла в Подмосковье, вдохновленная философией бренда Visionnaire

SALON-Interior
Не только дождь и снег: топ самых странных и шокирующих осадков Не только дождь и снег: топ самых странных и шокирующих осадков

Представьте: вы возвращаетесь домой и начинается... денежный дождь!

ТехИнсайдер
Теория множественности вселенных Теория множественности вселенных

А что, если существует огромное количество параллельных вселенных?

Зеркало Мира
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Зачем волки воют, а люди – поют Зачем волки воют, а люди – поют

Зачем и как млекопитающие используют акустическую коммуникацию

Знание – сила
Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак

Отрывок из книги Антона Евгеньева «Ценность ваших решений»

Forbes
Он мне изменяет? Он мне изменяет?

Неочевидные способы распознать обман партнера

Лиза
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

Знание – сила
Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога» Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога»

Как сегодня выстроены отношения депутатов с краевым правительством?

ФедералПресс
Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе Какие риски несет использование искусственного интеллекта в бизнесе

Сможет ли бизнес пользоваться ИИ, не создавая серьезных проблем?

Монокль
Ближний Восток: время прагматиков Ближний Восток: время прагматиков

О будущем Сирии, судьбе Ирана, мотивации аравийских монархий

Монокль
Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки» Мегахейры – загадочные и удивительные «ракопауки»

Мегахейры – «прототип креветки-богомола, созданный на базе аномалокариса»

Наука и техника
«Девочке скучно»: новый рассказ Евгении Некрасовой «Девочке скучно»: новый рассказ Евгении Некрасовой

Рассказ Евгении Некрасовой из сборника «Верю / не верю»

РБК
Компаньоны-долгожители: 10 домашних животных, которые живут дольше всех Компаньоны-долгожители: 10 домашних животных, которые живут дольше всех

10 питомцев-долгожителей, которые будут разделять вашу любовь долгие годы

ТехИнсайдер
Нерентабельный перелет Нерентабельный перелет

Почему одни дрозды улетают, а другие остаются? Результаты исследования ученых

Знание – сила
Шарик, стрелки, космонавт Шарик, стрелки, космонавт

Рассказ Алексея Сальникова о Новом годе и украшении елки

Правила жизни
Сказка о бедняке Оскюс-ооле и его мудрых работниках Сказка о бедняке Оскюс-ооле и его мудрых работниках

Давным-давно жил-был на перекрестке семи улиц сирота Оскюс-оол...

СНОБ
Следующее желание Следующее желание

В этой новогодней истории встретились две главные темы – Байкал и Новый год

Seasons of life
Основу рациона палеоамериканки культуры Кловис составило мясо мамонтов Основу рациона палеоамериканки культуры Кловис составило мясо мамонтов

Биоархеологи проанализировали изотопный состав останков ребенка Anzick-1

N+1
«Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством «Черные голуби»: триллер с Кирой Найтли о том, как совместить шпионаж с материнством

Кино о женщине, которая балансирует между ролью матери и опасной работой

Forbes
Здоровая замена Здоровая замена

Что использовать вместо коровьего молока: для кофе, выпечки, омлета и блинов

Лиза
«Друзья идей»: платоновская красота математики в зеркале медиа «Друзья идей»: платоновская красота математики в зеркале медиа

Как сохранить в России интерес к фундаментальной науке

Наука
Зарождение гидроавиации Зарождение гидроавиации

Как воплощали идею самолета, способного взлетать с водной поверхности

Знание – сила
Помощники РПКСН Помощники РПКСН

Роль флота в структуре ядерного сдерживания

Обозрение армии и флота
Открыть в приложении