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
Средний возраст — не кризис, а перекресток, или Как превратить зрелость в лучшее время жизни Средний возраст — не кризис, а перекресток, или Как превратить зрелость в лучшее время жизни

Средний возраст для многих — время кризисов, сомнений и размышлений об упущенном

Maxim
Эмиграция, старая и новая Эмиграция, старая и новая

«Старая русская эмиграция приняла нас тепло»

Дилетант
30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России 30 лет в борьбе за людей: как развивался региональный парламентаризм в России

Как развивался местный парламентаризм в России и каковы пути его развития

ФедералПресс
Картуш и его шайка Картуш и его шайка

«Нет ни дня, чтобы не казнили кого-то из шайки Картуша»

Дилетант
Казахстан как ключевая станция на новом Шелковом пути Казахстан как ключевая станция на новом Шелковом пути

Минувшим летом отношения Казахстана с Китаем преодолели знаковый рубеж

Обозрение армии и флота
«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
Снял с языка Снял с языка

Матвей Лыков — о кино и жизни

Men Today
Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика

Гид по лимоновской прозе

РБК
Рацион cтройности Рацион cтройности

Диета, которая точно пригодится до и после новогодних праздников

Лиза
«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
Как найти общие ценности в отношениях: советы психолога Как найти общие ценности в отношениях: советы психолога

Как сделать так, чтобы собственные принципы не помешали гармонии в паре?

Psychologies
«Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной «Заткнись ради команды»: биатлонистки рассказали о сексуальном насилии в сборной

Почему в сборной США по биатлону процветало сексуальное насилие?

Forbes
Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама Выйди и зайди нормально: почему российский стартап не смог завоевать рынок Вьетнама

Что случилось с компанией Hybrid, которая неудачно зашла на вьетнамский рынок

Forbes
Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение Синдром Маугли: что это такое в психологии, признаки и лечение

Что такое синдром Маугли и как он проявляется у детей?

Psychologies
Богатую микофлору носа связали с повышенным риском астмы и аллергического ринита Богатую микофлору носа связали с повышенным риском астмы и аллергического ринита

Богатая микофлора носа повышает вероятность развития аллергии и  астмы

N+1
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Под бой курантов Под бой курантов

Лучшие идеи для оформления новогоднего стола

Лиза
Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики! Чем могли бы болеть принцессы Disney? Вот что скрывают знаменитые мультики!

Болезни принцесс Disney: от болезней легких у Золушки до травм у Покахонтас

ТехИнсайдер
Ядерный проект века: «Вопрос топлива решится на десятки тысяч лет» Ядерный проект века: «Вопрос топлива решится на десятки тысяч лет»

Создание новых технологий переработки ядерных отходов изменит жизнь человечества

ФедералПресс
HR-директор — об инвестициях в людей и трендах кадровой политики HR-директор — об инвестициях в людей и трендах кадровой политики

Как ставка на человекоцентричность меняет HR-политику современных компаний

ФедералПресс
Скорость без звука Скорость без звука

Как устроены электрические байки Ducati V21L

ТехИнсайдер
Три сестры Три сестры

Вера Джусти: как успешно развивать семейный бизнес и не поссориться

Grazia
Шорт-лист Шорт-лист

Журнал «Автопилот» обойтись без людей совершенно не мог

Автопилот
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.
Небеса обетованные Небеса обетованные

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

ТехИнсайдер
Я — сноб: винодел Михаил Николаев Я — сноб: винодел Михаил Николаев

Винодел Михаил Николаев — о любви к чаю и дегустациям сыра

СНОБ
6 секретов мышления по-настоящему богатых людей 6 секретов мышления по-настоящему богатых людей

Зарабатывать деньги нужно, думая нестандартно: как это делают богатые люди?

Inc.
Разреши себе отдохнуть! Разреши себе отдохнуть!

Почему мы продолжаем работать даже в отпуске?

Лиза
Лазуритовые бусины эпохи бронзы из Омана сделали из афганского сырья Лазуритовые бусины эпохи бронзы из Омана сделали из афганского сырья

Ученые проанализировали лазуритовые бусины, которые археологи обнаружили в Омане

N+1
Открыть в приложении