Гравитационные волны в атмосферах планет
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.
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.