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
Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям Как Октавия Хилл в XIX веке управляла недвижимостью и помогала бедным людям

Как Октавия Хилл в XIX веке приводила в порядок лондонские трущобы?

Forbes
Балтийский путь Балтийский путь

В этот день жители Латвии, Литвы и Эстонии выстроили живую цепь

Дилетант
Туве Янссон Туве Янссон

Правила жизни писательницы Туве Янссон

Правила жизни
Первая прямая телетрансляция Первая прямая телетрансляция

Днём рождения немецкого телевидения принято считать 22 марта 1935 года

Дилетант
Как можно использовать искусственный интеллект для создания видео? Интересные факты Как можно использовать искусственный интеллект для создания видео? Интересные факты

Как работают ИИ-видеогенераторы, где их применяют и что ждет нас в будущем

ТехИнсайдер
«Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают «Восьмерке» — 40 лет. Главные факты о хэтчбеке, которые не все знают

Важные факты из истории ВАЗ-2108, о которых многие даже не догадываются

РБК
Нация и коллаборация Нация и коллаборация

50 лет «Лакомбу Люсьену» Луи Маля

Weekend
Русская Атлантида – город Молога Русская Атлантида – город Молога

История Тихвинской водной системы, по которому шло освоение Русского Севера

Знание – сила
Как работают слабослышащие таксисты: интервью Как работают слабослышащие таксисты: интервью

Слабослышащий водитель такси — о самых любимых пассажирах и безбилетниках

Maxim
Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни» Борис Ельцин: «Я ухожу не по болезни»

Интервью с Валентином Юмашевым, зятем Бориса Ельцина, о событиях конца 1999 года

Дилетант
Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084» Поэт Алексей Никонов об альбоме «Последних танков в Париже» — «2084»

Леха Никонов повествует историю создания альбома «2084» — от начала и до конца

СНОБ
Где живут люди-рыбы Где живут люди-рыбы

В Юго-Восточной Азии живут люди, не представляющие себя без моря и свободы

Зеркало Мира
Австралийская овчарка — умная и активная Австралийская овчарка — умная и активная

Австралийская овчарка, или аусси, — пастушья порода собак

Наука и жизнь
Антилопа суни Антилопа суни

Самые маленькие в Африке антилопы – бесстрашные борцы за место под солнцем

Знание – сила
Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога» Спикер ЗС Красноярского края Алексей Додатко: «Краевой парламент — площадка для общественного диалога»

Как сегодня выстроены отношения депутатов с краевым правительством?

ФедералПресс
Его ошибка — война Его ошибка — война

Началось всё со случайного разговора в спортивном комплексе «Форо Италико»

Дилетант
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
Поэт Императорской гвардии Поэт Императорской гвардии

Поэты-эмигранты возвращались в Россию стихами. Но иным и того не довелось

Дилетант
Скорая бьюти-помощь Скорая бьюти-помощь

Как привести себя в порядок после вечеринки

Лиза
«Грозы сии пойдут во славу России» «Грозы сии пойдут во славу России»

Ушаков не потерял в боях ни одного корабля, не потерпел ни одного поражения

Зеркало Мира
Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов» Юрий Кузнецов: «Зарабатывать деньги меня учили Абдулов и Миронов»

В театре завидовали: Кузнецов провинциал, а все снимается и снимается!

Караван историй
Жизневский Петербург Жизневский Петербург

Тихон Жизневский о сериале «Преступление и наказание» и актерской вере в сказку

СНОБ
Спасти самое дорогое Спасти самое дорогое

Многоразовые транспортные космические системы сегодняшнего дня

Зеркало Мира
Теория расширяющейся Земли Теория расширяющейся Земли

В самом центре земного ядра находится мощный термоядерный реактор

Зеркало Мира
7 мифов про метаболизм: Разобьём новогодние мифы вместе! 7 мифов про метаболизм: Разобьём новогодние мифы вместе!

Сколько можно есть — новогодние мифы о метаболизме

Новый очаг
Болезнь начинается раньше, чем мы думаем: как узнать о деменции за годы до ее проявлений Болезнь начинается раньше, чем мы думаем: как узнать о деменции за годы до ее проявлений

4 симптома, которые могут с высокой вероятностью указать на развитие деменции

Psychologies
Тонкая материя Тонкая материя

Как инновационные и экоткани меняют индустрию моды

РБК
«А ты возьми и купи слона»: как не вестись на маркетинговые уловки и не потратить все деньги перед Новым годом «А ты возьми и купи слона»: как не вестись на маркетинговые уловки и не потратить все деньги перед Новым годом

Как узнать все секреты продавцов, чтобы покупать осознанно?

Psychologies
Обман зрения Обман зрения

Холод, перепады температуры и низкая влажность – серьезные испытания для глаз

Лиза
Открыть в приложении