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

Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Веками учёные настойчиво искали «космическое чудо»

Наука и жизнь
У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого У Яниса Тиммы была маскированная депрессия? Как вовремя заметить невидимую боль близкого

Почему человек может маскировать свое депрессивное состояние?

Psychologies
Сдвинувший материки Сдвинувший материки

Альфред Вегенер – человек, понявший, что континенты движутся

Вокруг света
Нарисуем — будем жить! Нарисуем — будем жить!

3D-принтеры: прошлое, настоящее и космическое будущее

Зеркало Мира
Мои инопланетяне! Мои инопланетяне!

Если они прилетели, природа сделала уверенный поворот к приходу весны

Наука и жизнь
Не каждая тарелка — летающая Не каждая тарелка — летающая

Феномен НЛО: правда или вымысел?

Зеркало Мира
Приказали стать Леонардо Приказали стать Леонардо

Как создавался памятник картографии «Хорографическая книга Сибири»

Знание – сила
5 признаков того, что ваши отношения функциональны, но лишены любви 5 признаков того, что ваши отношения функциональны, но лишены любви

Кажется, что в ваших отношениях чего-то не хватает?

Psychologies
Тройное открытие Тройное открытие

Что это – трикладушка? Гармошка? Складной планшет?

ТехИнсайдер
О Юрии Никулине. Великий клоун О Юрии Никулине. Великий клоун

Татьяна могла бы и сама стать известной актрисой, но Никулин не позволил

Коллекция. Караван историй
5 ситуаций, в которых лучше сдаться, чем продолжать борьбу 5 ситуаций, в которых лучше сдаться, чем продолжать борьбу

Когда «сдаться» — это признак не слабости, а силы?

Psychologies
Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций Как правильно выражать гнев: 4 этапа проживания негативных эмоций

Всегда ли стоит выражать свой гнев и как прожить его без вреда?

Psychologies
Север и юг США после гражданской войны Север и юг США после гражданской войны

Расказываем, что было после капитуляции Юга, подписанной 26 мая 1865 года

Наука и техника
Шаг за шагом до Европы Шаг за шагом до Европы

Как на спутнике Юпитера Европе будут искать внеземные организмы

ТехИнсайдер
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
Власть тайной азбуки Власть тайной азбуки

История развития криптографии

Знание – сила
Поэт Императорской гвардии Поэт Императорской гвардии

Поэты-эмигранты возвращались в Россию стихами. Но иным и того не довелось

Дилетант
Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там Как соблюдать баланс между личной жизнью и работой, чтобы преуспеть и там, и там

Как перестать быть заложником гонки за «успешным успехом» и найти баланс?

Inc.
Грибоедов. Русская драма Грибоедов. Русская драма

«Гениальнейшей русской драмой» назвал «Горе от ума» А. Блок. Где же драма?

Знание – сила
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
Разреши себе отдохнуть! Разреши себе отдохнуть!

Почему мы продолжаем работать даже в отпуске?

Лиза
Древние джентльмены удачи Древние джентльмены удачи

Анархисты и разбойники Древнего мира – хапиру

Знание – сила
Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту Они повсюду: 7 источников радиации, которые окружают нас в быту

Какие из домашних вещей могут быть настоящими источниками радиации?

ТехИнсайдер
Институт особого назначения Институт особого назначения

Какими исследованиями занимается Институт истории естествознания и техники?

Знание – сила
Все болезни от нервов? Все болезни от нервов?

Специалисты считают: многие проблемы со здоровьем имеют психологическую основу

Добрые советы
Океан белковых структур Океан белковых структур

Белки выполняют львиную долю той работы, которая необходима живым организмам

Наука и жизнь
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

Знание – сила
Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию Назад в будущее: почему IT-гиганты стали инвестировать миллиарды в атомную энергию

Почему корпорации ищут спасение «старом» атоме и причем тут ИИ?

Forbes
«Финал — это место, где завязываются новые конфликты» «Финал — это место, где завязываются новые конфликты»

Вячеслав Курицын о последних главах «Войны и мира»

Weekend
Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров

Как Джек Ковин основал бургерную империю Hungry Jack’s

Inc.
Открыть в приложении