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

Настоящий имперец Настоящий имперец

Ни один другой немецкий политик не был использован так сильно, как Бисмарк

Дилетант
Легенда о старце Легенда о старце

Конспирологическая теория о связи старца Феодора Кузьмича и Александра I

Дилетант
Новогодний сюрприз Новогодний сюрприз

Борис Николаевич Ельцин был горазд на сюрпризы

Дилетант
Космический прогресс и коммунизм во всем мире: как в советское время люди представляли себе XXI век Космический прогресс и коммунизм во всем мире: как в советское время люди представляли себе XXI век

Самые интересные представления о XXI веке от людей прошлого

ТехИнсайдер
21 год сражений 21 год сражений

Северная война полностью изменила географию Балтийского региона

Дилетант
5 привычек, от которых давно пора избавиться 5 привычек, от которых давно пора избавиться

Как понять, что привычки «тормозят» вас, не дают развиваться и достигать целей?

Psychologies
Два кавказца Два кавказца

Что за офицеры изображены на рисунке, который считался за авторством Лермонтова?

Дилетант
Немое кино Немое кино

Истории, которых не было, но которые могли бы быть

Автопилот
Популярно о почвах Популярно о почвах

Почему нельзя судить о почве по её верхнему слою?

Наука и техника
Выборочные инвестиции Выборочные инвестиции

Вложения в фонды акций за год выросли почти в пять раз

Деньги
Виктор Тульчинский: «До сих пор считаю уход Ефремова из «Современника» ошибкой» Виктор Тульчинский: «До сих пор считаю уход Ефремова из «Современника» ошибкой»

В театре «Современник» царил дух товарищества

Коллекция. Караван историй
Что случилось с миром из-за Великой депрессии в США? Узнайте интересные факты о 1930-х Что случилось с миром из-за Великой депрессии в США? Узнайте интересные факты о 1930-х

Какие изменения в мире вызвала Великая депрессия?

ТехИнсайдер
Как ИИ копирует голоса и помогает мошенникам вымогать деньги Как ИИ копирует голоса и помогает мошенникам вымогать деньги

Как мошенники используют уникальную способность нейросетей к копированию голоса

Inc.
Зачем волки воют, а люди – поют Зачем волки воют, а люди – поют

Зачем и как млекопитающие используют акустическую коммуникацию

Знание – сила
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
Воздушный океан... Воздушный океан...

Мы все живём где-то на дне воздушного океана

Наука и жизнь
Кукольный бум Кукольный бум

Как культура осмысляла историю одной женщины, ушедшей из семьи

Weekend
«Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют «Мам, я уже не ребенок»: что делать, если родители вас контролируют

Что делать, если вам уже давно за 30, а вас все еще пытаются контролировать?

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

Чему нам следует поучиться у Африки и африканцев?

Знание – сила
Свердловский министр инвестиций: «Креативные индустрии — недооцененный резерв экономики» Свердловский министр инвестиций: «Креативные индустрии — недооцененный резерв экономики»

Как промышленное сердце России превратилось в центр моды федерального масштаба

ФедералПресс
Спасти самое дорогое Спасти самое дорогое

Многоразовые транспортные космические системы сегодняшнего дня

Зеркало Мира
Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы Не платил налоги, опубликовал фото с «кровавого» сафари, надел костюм со свастикой: дети политиков, которые попадали в крупные скандалы

Скандальные истории наследников глав государств

СНОБ
Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза Как мужчины с Ближнего Востока используют подводку для глаз из сурьмы и портят себе глаза

Кохль — не просто косметическое средство, а символ культурной идентичности

ТехИнсайдер
«Никто не может нас обидеть, кроме нас самих»: почему это неправда «Никто не может нас обидеть, кроме нас самих»: почему это неправда

Почему нельзя игнорировать обиду?

Psychologies
Око за око, или секреты человеческого глаза Око за око, или секреты человеческого глаза

Хорошо ли мы знаем, как работает наше зрение?

Зеркало Мира
Дом, который убивал своих жителей: радиационный инцидент в Краматорске 1980-х годов Дом, который убивал своих жителей: радиационный инцидент в Краматорске 1980-х годов

Как затерянный в стене квартиры цезий уносил жизни одну за другой

ТехИнсайдер
Быстро, удобно и вкусно Быстро, удобно и вкусно

Прогноз развития food-сегмента до 2030 года

Агроинвестор
4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать 4 ситуации, когда передаривать подарки даже нужно, — и как правильно это делать

По этикету, вручить ненужные презенты другому человеку еще как можно

ТехИнсайдер
Принять позы Принять позы

Позы или буузы — как правильно, мы так и не узнали: здесь мир разделен надвое

Seasons of life
«Дом-комод» – новое начало «Дом-комод» – новое начало

К 165-летию со дня рождения А. П. Чехова

Знание – сила
Открыть в приложении