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

Вон из России! Вон из России!

Осенью 1922-го от причалов отходили не только корабли с белогвардейцами

Дилетант
Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка Dongfeng Paladin: Рыцарь без страха и упрёка

Dongfeng Paladin: аутентичный внедорожник

4x4 Club
Гарриет Бичер-Стоу Гарриет Бичер-Стоу

Самая известная американская писательница XIX века родилась в 1811 году

Дилетант
Уходящий уходит — и выигрывает Уходящий уходит — и выигрывает

Как прощаются в русском театре

Weekend
Убить вождя Убить вождя

Покушение на Ленина полно вопросов

Дилетант
Рок-н-ролл из сказки Рок-н-ролл из сказки

Почему «музыкальная сказка» и имя композитора Геннадия Гладкова — синонимы

СНОБ
Ключ к красоте и ухоженности Ключ к красоте и ухоженности

На вопросы о лазерной эпиляции отвечает Ксения Филатова, врач-дермато-венеролог

Здоровье
3,5 тонны роскоши 3,5 тонны роскоши

Китайский внедорожник TANK 700 очень большой, очень тихий и очень мощный

ТехИнсайдер
В определенных обстоятельствах В определенных обстоятельствах

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

OK!
«Бежевое родительство»: как соцсети навязывают «правильные» тренды в воспитании детей «Бежевое родительство»: как соцсети навязывают «правильные» тренды в воспитании детей

Почему просмотр материалов о воспитании детей в соцсетях может вызвать стресс?

Forbes
Юлианна Караулова: «Пусть сбудется всё, что загадано под бой курантов!» Юлианна Караулова: «Пусть сбудется всё, что загадано под бой курантов!»

Юлианна Караулова о семейных традициях празднования Нового года

Здоровье
Юлия Барановская: «Не будет боли и обид, если не врать себе» Юлия Барановская: «Не будет боли и обид, если не врать себе»

Обсудили с телеведущей семейные традиции, путешествия и материнский стресс

VOICE
«Сколько ты зарабатываешь?»: стоит ли говорить родственникам о своих доходах и расходах «Сколько ты зарабатываешь?»: стоит ли говорить родственникам о своих доходах и расходах

Важно ли скрывать, сколько вы зарабатываете от родственников?

Psychologies
«Когда вкусно, тогда вкусно!» «Когда вкусно, тогда вкусно!»

О кухне народов России

Зеркало Мира
Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли» Строительство нового жилья: «Судьба льготной ипотеки определит будущее отрасли»

Как можно ускорить строительство новых многоквартирных домов?

ФедералПресс
Сказка – это будущее Сказка – это будущее

Об эскапизме, о будущем и о разнице между личной и общественной моралью

Правила жизни
10 самых полезных продуктов для сердца 10 самых полезных продуктов для сердца

Здоровье сердца во многом зависит от того, что лежит на нашей тарелке

Добрые советы
«Я справлюсь быстрее сам»: какие установки лидера тормозят развитие бизнеса «Я справлюсь быстрее сам»: какие установки лидера тормозят развитие бизнеса

Порой, несмотря на все усилия, бизнес движется не туда. Почему так происходит?

Forbes
Привезите мне на Новый год санкционку в подарок Привезите мне на Новый год санкционку в подарок

Какими путями в страну попадает импорт и какие препятствия стоят у него на пути

Монокль
45 лет после апокалипсиса 45 лет после апокалипсиса

«Мегалополис»: долгострой Фрэнсиса Форда Копполы

Weekend
Сколько можно хранить красное, белое и игристое вино? Сколько можно хранить красное, белое и игристое вино?

Как на срок жизни вина влияют сахар, кислотность и спирт?

СНОБ
Егор Крид: «Этот год оказался ключевым для меня» Егор Крид: «Этот год оказался ключевым для меня»

Обсудили с певцом 30-летний рубеж, фиты и стадионные концерты

VOICE
Виктор Тульчинский: «До сих пор считаю уход Ефремова из «Современника» ошибкой» Виктор Тульчинский: «До сих пор считаю уход Ефремова из «Современника» ошибкой»

В театре «Современник» царил дух товарищества

Коллекция. Караван историй
Большая история маленького самолета. Часть 2 Большая история маленького самолета. Часть 2

Через призму суперджета смотрим на российский авиапром в новейшем времени

Наука и техника
«Мифология советского космоса». Отрывок из книги «Мифология советского космоса». Отрывок из книги

Как формировалось восприятие космоса и его покорителей в советской культуре?

СНОБ
«Джеймс Уэбб» рассмотрел звездные скопления в далеком аналоге зародыша Млечного Пути «Джеймс Уэбб» рассмотрел звездные скопления в далеком аналоге зародыша Млечного Пути

Телескоп рассмотрел звездные скопления в галактике-аналоге Млечного Пути

N+1
Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни» Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни»

Интервью с Валентином Юмашевым, зятем Бориса Ельцина, о событиях конца 1999 года

Дилетант
Эмоциональное техно Эмоциональное техно

Как можно описать стиль эмоциональной архитектуры?

ТехИнсайдер
Фюрер и дуче Фюрер и дуче

Между итальянским фашизмом и германским национал-социализмом есть разница

Дилетант
Во имя отца и сына Во имя отца и сына

Эволюция российских пап

Men Today
Открыть в приложении