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
«Девочке скучно»: новый рассказ Евгении Некрасовой «Девочке скучно»: новый рассказ Евгении Некрасовой

Рассказ Евгении Некрасовой из сборника «Верю / не верю»

РБК
«Тётя Аврора» вылетела в три часа… «Тётя Аврора» вылетела в три часа…

Я как безумный метался и думал: мы или они? Мы или они?

Дилетант
Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный» Дмитрий Чеботарев: «Мой персонаж не пыльный»

Дмитрий Чеботарев рассказал о погружении в физику и секретных объектах

Grazia
Остудить землю Остудить землю

Самые распространенные направления геоинженерии

Вокруг света
Рацион cтройности Рацион cтройности

Диета, которая точно пригодится до и после новогодних праздников

Лиза
Приказали стать Леонардо Приказали стать Леонардо

Как создавался памятник картографии «Хорографическая книга Сибири»

Знание – сила
Женщины поймут Женщины поймут

Энрика Антонелли: в чем идея новой коллекции под лозунгом Made by Italian Women

Grazia
Сон с младенцем Сон с младенцем

Что лучше: спать в одной кровати с младенцем или раздельно?

Здоровье
От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия От ситцевой до бриллиантовой: как называются разные годовщины свадеб и откуда взялись такие названия

Годовщины свадьбы: с чем связаны их названия и какие не принято отмечать?

ТехИнсайдер
3 самые популярные пластические операции в России: рассказывает хирург 3 самые популярные пластические операции в России: рассказывает хирург

Какие пластические операции делают в России чаще всего?

VOICE
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
Елизавета Ищенко Елизавета Ищенко

Старт карьеры огненной артистки-ньюкамера совпал с эпохой новых русских сериалов

Собака.ru
Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям Долорес Амбридж по-русски: как «синдром вахтера» превращает учителей в тиранов и почему это вредит детям

Что такое «синдром вахтера» и как он проявляется?

Psychologies
Слишком позитивно: почему идея всегда быть в ресурсе не работает в реальной жизни Слишком позитивно: почему идея всегда быть в ресурсе не работает в реальной жизни

Как миф о «ресурсе» создает неоправданные ожидания и двойные стандарты

Forbes
В рабочий полдень В рабочий полдень

6 простых способов прогнать сонливость в разгар дня

Лиза
El Copitas. 10 лет выдержки! El Copitas. 10 лет выдержки!

Верховые барные деятели Петербурга раскачали питейную индустрию всей страны

Собака.ru
9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года 9 самых быстрых внедорожников AMG 2025 года

Внедорожники Mercedes-AMG, которые покорят вас своей максимальной скоростью

4x4 Club
Остановка Стамбул Остановка Стамбул

Заезженную фразу «Москва – не вся Россия», можно перенести и на Стамбул

Знание – сила
Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором? Музыка, созданная искусственным интеллектом: кто является автором?

Как ИИ влияет на авторское право в музыкальной сфере?

Наука и техника
Взрывная техника Джона Перальты Взрывная техника Джона Перальты

Взрывные диаграммы легендарных приборов, механизмов и гаджетов прошлого

ТехИнсайдер
Искусственный интеллект освоил 3D-печать Искусственный интеллект освоил 3D-печать

Аддитивные технологии включаются в производство высокотехнологичных изделий

Монокль
Превратности распада Превратности распада

После смерти царя Ирода Великого в Иудее вспыхнули нескончаемые беспорядки

Знание – сила
Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком Идеальная мама — это миф: 3 способа избавиться от чувства вины перед ребенком

Почему женщины после рождения ребенка никогда не чувствуют себя счастливыми?

Psychologies
Вот сбитень! Вот горячий! Вот сбитень! Вот горячий!

Сбитень-сбитенёк — пьёт его щеголёк, пьёт-попивает, сам похваливает…

Наука и жизнь
Егор Крид: «Этот год оказался ключевым для меня» Егор Крид: «Этот год оказался ключевым для меня»

Обсудили с певцом 30-летний рубеж, фиты и стадионные концерты

VOICE
Видел номер? Видел номер?

Журнал «Автопилот», спасибо за готовый штамп, «появился в совсем другой стране»

Автопилот
Мир после мира Мир после мира

Какой мир принесло завершение англо-бурской войны на юг Африки?

Знание – сила
Разумом, молотком, пистолетом Разумом, молотком, пистолетом

Какими приспособлениями пользуются полевые исследователи

ТехИнсайдер
«Дом-комод» – новое начало «Дом-комод» – новое начало

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

Знание – сила
Открыть в приложении