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

Ни рук, ни ног — вообще ничего… Ни рук, ни ног — вообще ничего…

Что представляют собой змеи, чем они опасны и чем прекрасны?

Наука и жизнь
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
Вооружение Вооружение

Вторая часть ответов на вопросы о вооружении стран времен Второй мировой войны

Дилетант
Николай, Карачун, Трескунец: правдивая история Деда Мороза Николай, Карачун, Трескунец: правдивая история Деда Мороза

Прежде чем стать дедушкой в красной шубе, Дед Мороз проделал долгий путь

Правила жизни
Тихие американцы Тихие американцы

Что ждет коренных американцев в будущем?

Вокруг света
В цветах Поднебесной В цветах Поднебесной

В этом интерьере дизайнеру удалось передать характер хозяина квартиры

Идеи Вашего Дома
Лиза Гусевская Лиза Гусевская

Лиза Гусевская — душевный фэшн-инфлюенсер с уклоном в максимализм

Собака.ru
Стань богаче! Стань богаче!

Как составить личный финансовый план на 2025 год

Лиза
В определенных обстоятельствах В определенных обстоятельствах

Светлана Иванова с дочерьми Полиной и Мирой впервые снималась для глянца!

OK!
Целую, береги себя Целую, береги себя

Новый год в трогательных воспоминаниях

Новый очаг
Предательство: как снова доверять людям после измены? Предательство: как снова доверять людям после измены?

Измена: как выбраться из этого травматичного опыта и извлечь из него пользу?

Psychologies
Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров Искусство найма: как увеличить число разработчиков в 5 раз и снизить текучесть кадров

Как практика One day offer помогает нанимать лучших специалистов в IT-отрасли

СНОБ
Бесчеловечные хищники морских глубин Бесчеловечные хищники морских глубин

Автономные необитаемые подводные аппараты ВМС США

Обозрение армии и флота
Прикосновение дома Прикосновение дома

Из каких деталей складывается характер дома?

СНОБ
Насквозь Насквозь

Что это за сказка, в которой нет волшебника или хотя бы доброй феи?

СНОБ
Дорогая моя Москва Дорогая моя Москва

Краткая история элитных районов Москвы

СНОБ
Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак

Отрывок из книги Антона Евгеньева «Ценность ваших решений»

Forbes
Конец историй Конец историй

Десять разных, но по-своему идеальных кинофиналов

Weekend
Илья Попов Илья Попов

Илья Попов собрал самую большую в России коллекцию дизайнерских игрушек

Собака.ru
Окно в Сибирь Окно в Сибирь

Сибирь: чем так притягивает туристов этот суровый край?

Лиза
Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР Психологический портрет: что такое обсессивно-компульсивное расстройство, или ОКР

Что такое ОКР, как проявляется диагноз и можно ли от него избавиться

Forbes
«Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии «Роналду в дартсе»: как любитель фастфуда стал самым популярным спортсменом Британии

О слабости Люка к фастфуду и увлечении компьютерными играми

Forbes
«Мы читаем о реальной жизни»: рэпер Whole Lotta Swag о творчестве, планах и успехе «Мы читаем о реальной жизни»: рэпер Whole Lotta Swag о творчестве, планах и успехе

Whole Lotta Swag — о своем отношении к критике и философии успеха

Forbes
11 возможных причин того, что вы все еще одна 11 возможных причин того, что вы все еще одна

Скорее всего, у того, что вы пока не в отношениях, есть весомая причина

Psychologies
Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама

Что случилось с компанией Hybrid, которая неудачно зашла на вьетнамский рынок

Forbes
5 лучших и 5 худших сладостей для вашего здоровья 5 лучших и 5 худших сладостей для вашего здоровья

Бывают ли полезные сладости?

ТехИнсайдер
Среди своих Среди своих

Загородный дом для отдыха с уникальными решениями

SALON-Interior
Теория множественности вселенных Теория множественности вселенных

А что, если существует огромное количество параллельных вселенных?

Зеркало Мира
Музыка может изменить ваше отношение к прошлому Музыка может изменить ваше отношение к прошлому

Исследование: музыка может изменить то, как вы запоминаете прошлое

ТехИнсайдер
Выбор выхода Выбор выхода

Три истории о возможностях финала

Weekend
Открыть в приложении