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
Как помочь заскучавшему сотруднику и при чем здесь теория поколений Как помочь заскучавшему сотруднику и при чем здесь теория поколений

Как разжечь в сотруднике былой интерес к работе?

Forbes
Aut Caesar, aut nihil Aut Caesar, aut nihil

У каждого из заговорщиков была личная причина невзлюбить Цезаря

Дилетант
Под бой курантов Под бой курантов

Лучшие идеи для оформления новогоднего стола

Лиза
Ключевые фигуры войны Ключевые фигуры войны

Первая часть ответов на вопросы о главных действующих лицах Второй мировой войны

Дилетант
Желтая кофта Маяковского: как поэты Серебряного века становились иконами стиля Желтая кофта Маяковского: как поэты Серебряного века становились иконами стиля

Как галстук-бант и желтая кофта Маяковского стали символами нового искусства

Forbes
«Ученик»: почему фильм о молодом Трампе вызвал скандал и не выйдет в прокат в России «Ученик»: почему фильм о молодом Трампе вызвал скандал и не выйдет в прокат в России

«Ученик»: какой получилась скандальная картина?

Forbes
Риски трампфляции Риски трампфляции

Поможет ли инфляция в борьбе с глобальным долгом

Деньги
Внутри рубина лазерный луч может отбрасывать тень при облучении другим лазером Внутри рубина лазерный луч может отбрасывать тень при облучении другим лазером

Световые мечи из «Звездных войнов» — не просто фантастика

ТехИнсайдер
Русская течь: как быть с защитой персональных данных Русская течь: как быть с защитой персональных данных

Не поздно ли плакать по утекшим данным и есть ли шансы перекрыть кран утечкам

Forbes
Как противостоять газлайтингу: 7 способов Как противостоять газлайтингу: 7 способов

Газлайтинг: как его определить и не дать сбить себя с толку?

Psychologies
Маркетплейс для мобильных и спонтанных Маркетплейс для мобильных и спонтанных

О том, как платформа автопутешествий создает у туристов новые потребности

Монокль
Подвести черту: почему важно не затягивать с разделом имущества при разводе Подвести черту: почему важно не затягивать с разделом имущества при разводе

Почему отложенный раздел имущества после развода может стать проблемой?

Forbes
Ваш электромобиль проедет 300.000 км без ремонта батареи, утверждает исследование. Ну что, поверим? Ваш электромобиль проедет 300.000 км без ремонта батареи, утверждает исследование. Ну что, поверим?

Деградация аккумуляторов оказалась значительно меньше, чем многие думали

ТехИнсайдер
Ползучая локализация Ползучая локализация

«Соллерс» отчитался об успешной реализации стратегии по локализации продукции

Монокль
Кочегар Кочегар

История Прохора, который трудится в необычной кочегарне

Знание – сила
Гений места Гений места

Интересные российские гиды — Алтай и Мончегорск

Новый очаг
Даже не верится: Леонардо ДиКаприо – 50! Даже не верится: Леонардо ДиКаприо – 50!

Собрали самые интересные факты о знаменитом актере Леонардо ДиКаприо

Лиза
«Самые веселые съемки у меня были с Филиппом Киркоровым»: Кристина Вайнас — о кино, сыне и браке с Кириллом Дыцевичем «Самые веселые съемки у меня были с Филиппом Киркоровым»: Кристина Вайнас — о кино, сыне и браке с Кириллом Дыцевичем

Кристина Вайнас — о фильме «Финист. Первый богатырь» и сыне

VOICE
Без желания нравиться и чувства долга: как навык говорить «нет» делает жизнь лучше Без желания нравиться и чувства долга: как навык говорить «нет» делает жизнь лучше

Как научиться отстаивать свои интересы и границы с коллегами и близкими

Forbes
Вы поразитесь, как диабет влияет на ваши глаза! Вот о чем предупредили эксперты Вы поразитесь, как диабет влияет на ваши глаза! Вот о чем предупредили эксперты

Неочевидно, но диабет может привести к серьёзным проблемам и с глазами

ТехИнсайдер
Игры торговых сетей Игры торговых сетей

Как ритейлеры зарабатывают на геймификации

Деньги
Здания-рекордсмены: постройки России, которые попали в Книгу рекордов Гиннесса Здания-рекордсмены: постройки России, которые попали в Книгу рекордов Гиннесса

Здания России, которые побили самые разные мировые рекорды

ТехИнсайдер
Косатки снова начали носить на голове мертвых лососей Косатки снова начали носить на голове мертвых лососей

Зоологам так и не удалось выяснить, зачем косатки носят лососей на голове

N+1
Найти путь к изобилию Найти путь к изобилию

Как работает обращение к психологам с запросом на финансовое благополучие

Psychologies
Карта памяти: как навигаторы и GPS меняют работу нашего мозга Карта памяти: как навигаторы и GPS меняют работу нашего мозга

Как навигаторы влияют на человеческий мозг и почему не всегда в лучшую сторону

Forbes
5 советов по защите иммунной системы в преддверии зимы 5 советов по защите иммунной системы в преддверии зимы

Тренировки на больничном: что делать, если вы чувствуете себя не на все сто?

Men Today
Путешествие на виртуальном трамвае Путешествие на виртуальном трамвае

Почему современные дети и подростки чувствуют себя усталыми и хотят спать

СНОБ
Не надо паники! Не надо паники!

В чем причины панической атаки и как остановить мучительный приступ

Лиза
Последняя задача робототехники Последняя задача робототехники

Современные складские машины способны работать в 500 раз быстрее людей

ТехИнсайдер
Открыть в приложении