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

Ни рук, ни ног — вообще ничего… Ни рук, ни ног — вообще ничего…

Что представляют собой змеи, чем они опасны и чем прекрасны?

Наука и жизнь
Старость за работой Старость за работой

«Хаяо Миядзаки и птица»: идеальный комментарий к «Мальчику и птице»

Weekend
Стрельцы: преступление и наказание Стрельцы: преступление и наказание

Стрелецкий бунт 1698 года: «усердие в усмирении» достигало высот заоблачных

Дилетант
Сила инерции: как выживает крупнейшая торговая сеть в стране Сила инерции: как выживает крупнейшая торговая сеть в стране

Как кооператоры пытались создавать коалиции с крупными ретейлерами?

Forbes
Жёны застоя Жёны застоя

Супруги генсеков и членов политбюро ЦК КПСС

Дилетант
Время все начать с нуля: почему зрелость — лучший период вашей жизни Время все начать с нуля: почему зрелость — лучший период вашей жизни

Середина жизни — это время, чтобы начинать заново

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
9 неожиданных вещей, которые можно и нужно мыть в посудомоечной машине 9 неожиданных вещей, которые можно и нужно мыть в посудомоечной машине

Посудомоечная машина способна мыть не только посуду

ТехИнсайдер
Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика Что читать у Эдуарда Лимонова перед просмотром байопика

Гид по лимоновской прозе

РБК
7 способов укротить боль 7 способов укротить боль

Боль бывает разная, ноющая, колющая, резкая, слабая. Можно ли от неё избавиться?

Здоровье
По законам гостеприимства По законам гостеприимства

Солнечный интерьер, который встречает тепло и радостно

Идеи Вашего Дома
У последнего редута У последнего редута

Бенито Муссолини закончил политическую карьеру главой марионеточного государства

Дилетант
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
Когда застывшие чувства становятся хронической болью: как жить с человеком с ПТСР Когда застывшие чувства становятся хронической болью: как жить с человеком с ПТСР

Какие симптомы наблюдаются в ситуации травмы и как жить с человеком с ПТСР?

Psychologies
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
Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю Камбоджийские рыбаки поймали шесть вымирающих гигантских сомов меньше чем за неделю

Рыбаки из Камбоджи менее чем за неделю поймали шесть гигантских шильбовых сомов

N+1
Австралийская овчарка — умная и активная Австралийская овчарка — умная и активная

Австралийская овчарка, или аусси, — пастушья порода собак

Наука и жизнь
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
Кто заменит иностранную цифру Кто заменит иностранную цифру

Российские IT-компании наращивают темпы в импортозамещении ПО

Монокль
Смешанный стиль Смешанный стиль

Volkswagen, который пришел с Востока

Автопилот
Уолт-Стрит Уолт-Стрит

Может ли сказка быть бизнесом, а бизнес – сказкой? Взлет корпорации Disney

Правила жизни
Люди острова Люди острова

Люди Ольхона: что тянет сюда людей, заставляет их остаться?

Seasons of life
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
Мечтаем правильно Мечтаем правильно

7 техник, которые помогут приблизиться к заветному желанию

Лиза
Как выглядел и что носил Иисус Христос? Вот что говорят эксперты: интересные факты! Как выглядел и что носил Иисус Христос? Вот что говорят эксперты: интересные факты!

Что мы знаем о внешности Иисуса?

ТехИнсайдер
Щавель, персик и трансформер: что значит странный сленг подростков и почему взрослые его запрещают Щавель, персик и трансформер: что значит странный сленг подростков и почему взрослые его запрещают

Почему сленговые выражения подростков так злят старшие поколения?

Psychologies
«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
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
Город, спрятавший свои памятники Город, спрятавший свои памятники

Псков: тяжелая судьба генплана и интуиционная реставрация

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

Чему нам следует поучиться у Африки и африканцев?

Знание – сила
Открыть в приложении