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
Прошёл год Прошёл год

Юлия Снигирь — об особенном знакомстве, которое изменило её жизнь

Новый очаг
Как завещал великий Ленин? Как завещал великий Ленин?

Основные тезисы «политического завещания Ленина»

Дилетант
Один настойчивый старик Один настойчивый старик

Как Клинт Иствуд закончил свою версию «12 разгневанных мужчин»

Weekend
Он был предан Мао Он был предан Мао

Си Чжунсюня, отца нынешнего главы КНР, не просто так сравнивали с карпом

Дилетант
Радужные перспективы Радужные перспективы

Увидеть радугу посреди зимы – добрая примета. Но что именно она сулит?

Лиза
Туве Янссон Туве Янссон

Правила жизни писательницы Туве Янссон

Правила жизни
Где взять силы зимой? Где взять силы зимой?

Простые способы, которые помогут вам вернуть энергетический потенциал

Добрые советы
Озеро надежды Озеро надежды

Как все эти годы фонд пытается сохранить Байкал от влияния человека

Grazia
Счастья, здоровья: как нестандартно, но корректно поздравить коллег и партнеров с наступающими праздниками Счастья, здоровья: как нестандартно, но корректно поздравить коллег и партнеров с наступающими праздниками

Как же емко, красиво и достойно поздравить коллег и партнеров с новым годом

Psychologies
«Мониторинг магнитного поля — это наш компас» «Мониторинг магнитного поля — это наш компас»

Каково вырасти в семье политического деятеля и философа, а стать математиком?

Наука
Обман зрения Обман зрения

Холод, перепады температуры и низкая влажность – серьезные испытания для глаз

Лиза
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
Если только захочу Если только захочу

Как научить ребёнка мечтать?

Новый очаг
Остров проклятых: как Гайола разрушила жизни всех своих владельцев Остров проклятых: как Гайола разрушила жизни всех своих владельцев

За гробовой тишиной острова Гайола скрываются жуткие истории

ТехИнсайдер
Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка Самые опасные пищевые привычки россиян и чем вредна доставка

Что происходит с пищевым поведением россиян?

Inc.
Габриэле Д’Аннунцио Габриэле Д’Аннунцио

Современный читатель знает о нём в лучшем случае двустишие Маяковского...

Дилетант
Выбор выхода Выбор выхода

Три истории о возможностях финала

Weekend
Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога Нужен ли детям смартфон? Разбираем мнения россиян и психолога

Смартфон для ребенка: польза и вред

Psychologies
Американский ситком, Gucci и Бурунов: эволюция батиного свитера Американский ситком, Gucci и Бурунов: эволюция батиного свитера

Как уродливый свитер перевесили из отцовского гардероба в раздел постмодерна

Правила жизни
Фудблогинг Фудблогинг

Среди разнообразия страниц соцсетей блоги о еде пользуются особой популярностью

Здоровье
«Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают «Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают

Важные факты из истории ВАЗ-2108, о которых многие даже не догадываются

РБК
Все болезни от нервов? Все болезни от нервов?

Специалисты считают: многие проблемы со здоровьем имеют психологическую основу

Добрые советы
Срамота в глазах смотрящего Срамота в глазах смотрящего

«Партенопа»: Паоло Соррентино показывает красивое

Weekend
«В театр приходят не за развлечением, а за разговором» «В театр приходят не за развлечением, а за разговором»

Евгений Цыганов о мечтах, опустошении и роли искусства в изменившемся мире

Правила жизни
Целую, береги себя Целую, береги себя

Новый год в трогательных воспоминаниях

Новый очаг
Отсчет последних времен Отсчет последних времен

Как человечество пытается предсказать конец света

Weekend
«Африка-Алкебулан: sentio ergo sum» «Африка-Алкебулан: sentio ergo sum»

Чему нам следует поучиться у Африки и африканцев?

Знание – сила
25 «говорящих» табличек 25 «говорящих» табличек

На каком языке говорили на острове Пасхи, и что такое таблички ронго-ронго?

Зеркало Мира
Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней

Как добывают редкие цветные драгоценные камни и в чем их ценность?

Forbes
Открыть в приложении