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

Две классические ошибки садоводов Две классические ошибки садоводов

Что мы сплошь и рядом видим в саду? А видим мы… джунгли

Наука и жизнь
Как в сказке Как в сказке

Блюда к праздничному столу персонажей Линдгрен, Диккенса, Шмелева и Туве Янссон

Seasons of life
Пот, кровь, слёзы и крест Пот, кровь, слёзы и крест

В конце XI века десятки тысяч людей отправились освобождать Иерусалим

Дилетант
Как работают слабослышащие таксисты: интервью Как работают слабослышащие таксисты: интервью

Слабослышащий водитель такси — о самых любимых пассажирах и безбилетниках

Maxim
Диалектика времени Диалектика времени

Как размышления о времени способствовали развитию человеческой цивилизации

Вокруг света
От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами От волонтерства до донорства: почему фондам и НКО можно помогать не только деньгами

Forbes Life рассказывает о нематериальных способах поддерживать НКО и фонды

Forbes
$117 000 из бассейна: сколько принесло россиянам возвращение на ЧМ по плаванию $117 000 из бассейна: сколько принесло россиянам возвращение на ЧМ по плаванию

Сколько заработали россияне, и кто из пловцов стал самым богатым в сезоне

Forbes
Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно Позаботьтесь о своем пушистом товарище: как правильно чистить игрушки для собак и зачем вообще это нужно

Как мыть игрушки из разных материалов — плюша, пластика, каната или резины.

ТехИнсайдер
Англия накануне нормандского завоевания. Основные игроки Англия накануне нормандского завоевания. Основные игроки

Нормандское завоевание Англии – одно из переломных моментов английской истории

Наука и техника
Прикосновение дома Прикосновение дома

Из каких деталей складывается характер дома?

СНОБ
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.
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
Нация и коллаборация Нация и коллаборация

50 лет «Лакомбу Люсьену» Луи Маля

Weekend
Сказка – это будущее Сказка – это будущее

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

Правила жизни
Голосом не лучше Голосом не лучше

«Русская служба» Зиновия Зиника: эмиграция как анекдот

Weekend
Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком Подумайте дважды: 9 очаровательных пород собак, которые не подойдут семье с ребенком

Породы, которые не подходят для семей с маленькими детьми

ТехИнсайдер
«Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды «Вайб», brain rot и manifest: как слова 2024 года отражают наши страхи и надежды

Как через слова люди реагируют на текущие вызовы и изменения?

Forbes
Вечный фашизм Вечный фашизм

Предлагаем вниманию читателей знаменитое эссе писателя и философа Умберто Эко

Дилетант
Зарождение гидроавиации Зарождение гидроавиации

Как воплощали идею самолета, способного взлетать с водной поверхности

Знание – сила
«Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить «Я не в ресурсе»: 7 простых способов это исправить

Как восполнить свой энергетический заряд, чтобы «быть в ресурсе»?

Psychologies
Как Катерина Карасева помогает людям с инвалидностью получать средства реабилитации Как Катерина Карасева помогает людям с инвалидностью получать средства реабилитации

Как работает сервис «Поза 24/7» по подбору средств реабилитации?

Forbes
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет

Планетологи заново оценили возраст Луны, теперь он составляет 4,43–4,53 млрд лет

N+1
«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
Сила инерции: как выживает крупнейшая торговая сеть в стране Сила инерции: как выживает крупнейшая торговая сеть в стране

Как кооператоры пытались создавать коалиции с крупными ретейлерами?

Forbes
Теория расширяющейся Земли Теория расширяющейся Земли

В самом центре земного ядра находится мощный термоядерный реактор

Зеркало Мира
Вера Сторожева: «Я никогда не обижаюсь на артистов» Вера Сторожева: «Я никогда не обижаюсь на артистов»

Он каждого из нас предостерег: не исключено, что вы будете безработными

Караван историй
Леонела Мантурова: «Не зарекаюсь ни от комедийных, ни от драматических ролей» Леонела Мантурова: «Не зарекаюсь ни от комедийных, ни от драматических ролей»

Поговорили с актрисой о съемках в исторической экшен-драме «Злой город»

VOICE
Дикая охота Дикая охота

Я провожу свою вечность с теми, кто никогда говорить не умел

СНОБ
Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать» Михаил Державин: «Мечтаю никому не мешать»

Эх, вернуть бы еще молодость, которая так быстро пронеслась

Караван историй
Открыть в приложении