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
Среди своих Среди своих

Загородный дом для отдыха с уникальными решениями

SALON-Interior
Охота за Эйхманом Охота за Эйхманом

Адольф Эйхман вошёл в историю как «архитектор холокоста»

Дилетант
Люся Чеботина: «Твоя самая лучшая подруга — это ты!» Люся Чеботина: «Твоя самая лучшая подруга — это ты!»

Тяжело встретить человека, который был бы снисходителен к твоей карьере

Караван историй
Не сгинела Не сгинела

«Польша не погибла, покуда мы живы»

Дилетант
Элементарно — эмпатия Элементарно — эмпатия

Перезагрузка территорий и редевелопмент — тренд, особенно в Петербурге

Собака.ru
Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям

Как Октавия Хилл в XIX веке приводила в порядок лондонские трущобы?

Forbes
Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли» Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли»

Альпинистка Алина Пекова — о местах силы и планах на будущее

СНОБ
Технологии, которые делают роверы умными Технологии, которые делают роверы умными

Все о роверах, которые сегодня находят широкое применение в различных областях

Наука и техника
В силиконовых ремешках смарт-часов содержится множество вредных химикатов В силиконовых ремешках смарт-часов содержится множество вредных химикатов

Слышали что-нибудь о «вечных химикатах»?

ТехИнсайдер
Высокий полет Высокий полет

Посреди большого тура, между концертами Zivert чудом вырвалась к нам на съемку

VOICE
Лучшие сказки пишутся для себя Лучшие сказки пишутся для себя

Какими должны быть сказки, для кого автор пишет и ходят ли дети в библиотеки

Правила жизни
Как искусственный интеллект помогает в научных исследованиях Как искусственный интеллект помогает в научных исследованиях

Впечатляющие сферы применения ИИ исследователями

РБК
Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение Дорогой к храму: как бывший брокер и металлотрейдер вернул к жизни древнее поселение

Как предприниматель Геннадий Спажев восстановил село Замытье

Forbes
Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо Три короны Возрождения: Данте, Петрарка, Боккаччо

Что мы знаем о трех родоначальниках Возрождения: Данте, Петрарке, Боккаччо?

Знание – сила
Как 25-летняя москвичка выручила 32 млн рублей на подвесках из бусин Как 25-летняя москвичка выручила 32 млн рублей на подвесках из бусин

Как появился и за счет чего вырос бренд подвесок из бусин Krivokoso

Forbes
Почему проваливаются переговоры и как научиться добиваться своего Почему проваливаются переговоры и как научиться добиваться своего

Что такое искусство переговоров? Разбираем в теории и на практике

Forbes
Мажорные аккорды российских атомщиков: как технологии открывают путь к (почти) неисчерпаемой энергии Мажорные аккорды российских атомщиков: как технологии открывают путь к (почти) неисчерпаемой энергии

Реактор БН-800: как он может повлиять на будущее человечества?

СНОБ
Мембрана для извлечения водорода Мембрана для извлечения водорода

Мембрана из ванадиевого сплава — залог прогресс в водородной энергетике

ТехИнсайдер
15 признаков абьюзивных отношений 15 признаков абьюзивных отношений

Каковы же признаки абьюза? Давайте еще раз перечислим самые яркие

Psychologies
Николай Свечин: Время имеет вкус, цвет и запах, и автор обязан их различать Николай Свечин: Время имеет вкус, цвет и запах, и автор обязан их различать

Николай Свечин рассказал о сюжете нового романа и судьбе Лыкова после революции

СНОБ
14 особенностей психологически сильных людей 14 особенностей психологически сильных людей

Какие же качества отличают психологически сильных людей?

Psychologies
Пыль в глаза Пыль в глаза

Почему возникает конъюнктивит и как его лечить

Лиза
Больше, чем любовь Больше, чем любовь

Как выстроить надежные и согревающие отношения с близкими?

Psychologies
Тело помнит жир! Ученые рассказали, почему трудно удержать вес после похудения Тело помнит жир! Ученые рассказали, почему трудно удержать вес после похудения

Почему сброшенные килограммы часто возвращаются?

ТехИнсайдер
Важный показатель Важный показатель

Что такое гликированный гемоглобин, кому и зачем его стоит сдавать

Лиза
Лебединый хрип Лебединый хрип

«Мария»: Анджелина Джоли в байопике Марии Каллас

Weekend
Тернистый путь электрокара: когда мир откажется от бензиновых двигателей Тернистый путь электрокара: когда мир откажется от бензиновых двигателей

Смогут ли торговые войны замедлить распространение электромобилей?

Forbes
«Все зависимые выросли не в бедной, а в дисфункциональной семье»: на главные вопросы об алкоголизме отвечает нарколог «Все зависимые выросли не в бедной, а в дисфункциональной семье»: на главные вопросы об алкоголизме отвечает нарколог

Почему родственникам зависимых тоже нужна терапия?

Psychologies
Зачем Трампу столько власти Зачем Трампу столько власти

Откажется ли Дональд Трамп, став президентом, от революционной тактики?

Монокль
Открыть в приложении