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

Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики Резерфорд и рождение экспериментальной ядерной физики

Первое искусственное превращение химических элементов

Наука и жизнь
Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью

Минеральная пыль делает его фекалии планктона более плотными

N+1
Пот, кровь, слёзы и крест Пот, кровь, слёзы и крест

В конце XI века десятки тысяч людей отправились освобождать Иерусалим

Дилетант
«Мы готовы и хотим развиваться» «Мы готовы и хотим развиваться»

Директор компании «ГТ Энерго» — о перспективах распределенной энергетики

Монокль
Вопрос / ответ Вопрос / ответ

Что ели русские крестьяне, кто изобрел алфавит и другие вопросы и ответы

Вокруг света
Сами себя заработают Сами себя заработают

Если копить никак не получается, пора изучить все скрытые возможности денег

VOICE
Прикосновение дома Прикосновение дома

Из каких деталей складывается характер дома?

СНОБ
Де Голль — ставка на «зеро» Де Голль — ставка на «зеро»

Шарль де Голль: пятая республика, сильная власть, отставка правительства

Дилетант
Заповедная зона Заповедная зона

Самобытная вилла в Подмосковье, вдохновленная философией бренда Visionnaire

SALON-Interior
Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов» Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов»

В театре завидовали: Кузнецов провинциал, а все снимается и снимается!

Караван историй
Вперед, к природе! Вперед, к природе!

Зимняя вечеринка на даче: как все устроить за три дня

Лиза
Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса Время управлять собой: почему self-skills становятся решающими для карьеры и бизнеса

Что такое self-skills и зачем они нужны в работе?

Forbes
Заряженные на экологию Заряженные на экологию

Что оставляет меньший след в природе: электрокары или автомобили на бензине?

РБК
Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин Почему вы переживаете стресс хуже, чем ваша подруга: 6 причин

Почему вас из колеи выбивает даже сущая ерунда?

Psychologies
«Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах» «Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах»

Как инопланетян начали искать с помощью радиотелескопов

N+1
Откуда что пошло на флоте. Рождение парового судна Откуда что пошло на флоте. Рождение парового судна

Как и с чего начиналась «пароходная лихорадка»?

Наука и техника
3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже 3 вида пилингов: какой лучше подойдет вашей коже

Какой вид пилинга выбрать? Разбираемся с косметологом-эстетистом

Psychologies
Это я беру на себя: почему бизнес все чаще размещает IT-решения на своих серверах Это я беру на себя: почему бизнес все чаще размещает IT-решения на своих серверах

Почему бизнес предпочитает развивать свою IT-инфраструктуру?

Forbes
Повеяло Повеяло

Техника по-пионерски плюс комфорт по-буржуински

Автопилот
Морская прогулка Морская прогулка

Интерьер в эклектичном стиле, вдохновленный островом Санторини

SALON-Interior
Робот с революционным запалом Робот с революционным запалом

Как челябинскому Заводу роботов совершил революцию в отрасли робототехники

Монокль
Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки Зачем суровые древнегерманские воины носили с собой маленькие ложечки

Странный артефакт, сопровождавший воинов Римской империи практически всю жизнь

ТехИнсайдер
Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам Как стать лучше: 5 маленьких шагов к большим переменам

Поговорим о пяти привычках, которые помогут вам день ото дня становиться лучше

Psychologies
9 признаков того, что вы едите излишне много соли 9 признаков того, что вы едите излишне много соли

Что указывает на большое количество соли в организме, и как это исправить

ТехИнсайдер
Выбор выхода Выбор выхода

Три истории о возможностях финала

Weekend
«Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу» «Доверие Александра Македонского к врачу Филиппу»

Во время похода в Персию Александр Ма­кедонский тяжело заболел

Дилетант
Стань богаче! Стань богаче!

Как составить личный финансовый план на 2025 год

Лиза
Вода — главный ресурс на Луне Вода — главный ресурс на Луне

Почему «лунная вода» важна для понимания происхождения жизни на Земле?

Зеркало Мира
Небеса обетованные Небеса обетованные

Путешествие в Байконур, отвечающее на вопрос, зачем летать в космос

ТехИнсайдер
В турецкой пещере нашли практически целую корзину позднего бронзового века В турецкой пещере нашли практически целую корзину позднего бронзового века

Археологи обнаружили в турецкой пещере Инёню практически целую древнюю корзину

N+1
Открыть в приложении