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

Каждая личинка — индивидуальность Каждая личинка — индивидуальность

Эти небольшие червячки красного цвета — объект пристального внимания биологов

Наука и жизнь
Юрий и Валентина (часть первая) Юрий и Валентина (часть первая)

Как забота о детях отражается на семейных отношениях партнеров? Личная история

СНОБ
Если бы в школе был урок биографии Если бы в школе был урок биографии

Почему в школе не изучают биографию?

Дилетант
Кошка — облигатный хищник. Чем ее кормить? Кошка — облигатный хищник. Чем ее кормить?

Как правильно составить рацион для своего домашнего тигра?

ТехИнсайдер
21 год сражений 21 год сражений

Северная война полностью изменила географию Балтийского региона

Дилетант
Знакомьтесь, культуртрегер и галерист Кристина Сасонко Знакомьтесь, культуртрегер и галерист Кристина Сасонко

Кристина Сасонко руководит междисциплинарным арт-хабом Arts Square Production

Собака.ru
Время чудес Время чудес

Молодые актеры о веселых и трогательных воспоминаниях нового года

Grazia
Relax, Take It Easy Relax, Take It Easy

Что самое важное в совместном отдыхе для Алексея и Лейсан Чадовых

OK!
Фантом диверсанта Фантом диверсанта

Родился Отто Скорцени 12 июня 1908 года в Австрии, в Вене

Дилетант
Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль» Ольга Бузова: «Мне не нужен ураган в душе. Мне по кайфу штиль»

Ольга Бузова: как продолжить верить людям, несмотря на прошлый негативный опыт

Добрые советы
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
Всё это приключилось Всё это приключилось

Реальные истории о самых странных и счастливых праздниках

Новый очаг
Путешествие в Сибирь Путешествие в Сибирь

Атмосферные апартаменты, не имеющие аналогов в Тобольске

Идеи Вашего Дома
Методом пропп Методом пропп

Хтоническая подоплека классических русских сказок

Правила жизни
Привезите мне на Новый год санкционку в подарок Привезите мне на Новый год санкционку в подарок

Какими путями в страну попадает импорт и какие препятствия стоят у него на пути

Монокль
20 популярных вопросов о посудомоечных машинах 20 популярных вопросов о посудомоечных машинах

Гид по посудомоечным машинам: всё, что вы хотели бы спросить

CHIP
«Мерило успеха — это время»: музыкант Boulevard Depo о новом альбоме и русском рэпе «Мерило успеха — это время»: музыкант Boulevard Depo о новом альбоме и русском рэпе

Boulevard Depo — об отношении к успеху и вдохновении

Forbes
Не сгинела Не сгинела

«Польша не погибла, покуда мы живы»

Дилетант
Джессика Джессика

Всего за год Jessica Gallery собрала пул актуальнейших художников

Собака.ru
Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак Информационная безопасность: десять основных видов хакерских атак

Отрывок из книги Антона Евгеньева «Ценность ваших решений»

Forbes
«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
Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz Назад к истокам: почему создатель соуса Mr. Yoshida's выкупил его назад у Heinz

Неожиданные повороты в истории соуса Mr. Yoshida's

Forbes
Рок-н-ролл из сказки Рок-н-ролл из сказки

Почему «музыкальная сказка» и имя композитора Геннадия Гладкова — синонимы

СНОБ
Шаг за шагом до Европы Шаг за шагом до Европы

Как на спутнике Юпитера Европе будут искать внеземные организмы

ТехИнсайдер
Джуны нужны: неочевидные преимущества молодых айтишников и почему их не заменит ИИ Джуны нужны: неочевидные преимущества молодых айтишников и почему их не заменит ИИ

Работодателям имеет смысл вкладываться в развитие начинающих IT-специалистов

Inc.
«Голос поэта» «Голос поэта»

О проекте «Голос Поэта» прямо как в лучшие годы, когда стихи печатали в журналах

OK!
«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
Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм» Яна Сексте: «Скажу честно, я была потрясена, когда стала читать отзывы на фильм»

Нет маленьких ролей! Маленькая роль у тебя в голове

Караван историй
Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории Фонтан из бренди и частный концерт Майкла Джексона: 5 лучших вечеринок в истории

Лучшие вечеринки XX века: кто их организовывал, а кто был на них гостями?

ТехИнсайдер
Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов Как сохранить уровень сахара в норме: 7 добрых советов

Простые рекомендации, которые помогут поддерживать оптимальный уровень сахара

ТехИнсайдер
Открыть в приложении