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

Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной Наука о чужих. Жизнь и разум во Вселенной

Веками учёные настойчиво искали «космическое чудо»

Наука и жизнь
Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров Миллиардер Джек Ковин занял денег у 30 человек, чтобы построить империю бургеров

Как Джек Ковин основал бургерную империю Hungry Jack’s

Inc.
Владимир Лифшиц Владимир Лифшиц

Биография Владимира Лифшица дает ответ на мучительные вопросы современности

Дилетант
Пряничная избушка Пряничная избушка

Рассказ Павла Пепперштейна о пряниках и сказках

Правила жизни
На склонах Окского каньона На склонах Окского каньона

Ока здесь течёт в узкой долине, за что она и получила название Окского каньона

Наука и жизнь
Трофеи Вьетконга Трофеи Вьетконга

Во время Вьетнамской войны почтовые марки выпускала не только Республика Вьетнам

Дилетант
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
Всхлип тишины Всхлип тишины

Джошуа Оппенхаймер и его «Конец света»

Weekend
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
Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней Игра на контрастах: как развивается рынок цветных драгоценных камней

Как добывают редкие цветные драгоценные камни и в чем их ценность?

Forbes
Гуляем! Гуляем!

За что могут оштрафовать в новогоднюю ночь

Лиза
7 способов укротить боль 7 способов укротить боль

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

Здоровье
45 лет после апокалипсиса 45 лет после апокалипсиса

«Мегалополис»: долгострой Фрэнсиса Форда Копполы

Weekend
Игра Brawl Stars: популярное развлечение или угроза для детей? Игра Brawl Stars: популярное развлечение или угроза для детей?

Разбираемся, в чем секрет игры Brawl Stars и стоит ли беспокоиться взрослым

Psychologies
Как получить ЭПСМ на снегоход и квадрицикл – и избежать ошибки, которую делают 70% владельцев Как получить ЭПСМ на снегоход и квадрицикл – и избежать ошибки, которую делают 70% владельцев

Какие основные шаги надо проделать, чтобы получить ЭПСМ

ТехИнсайдер
Границы ключ Границы ключ

Как далеко можно пускать к себе мужчину на разных этапах отношений?

VOICE
Зачем чипу родина Зачем чипу родина

Возврат к собственным разработкам возможен только через кризис

Монокль
Антилопа суни Антилопа суни

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

Знание – сила
«Научное волонтерство: Делаем науку вместе» «Научное волонтерство: Делаем науку вместе»

К каким исследованиям ученые впервые привлекли добровольцев

N+1
Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью Ученые утяжелили фекалии планктона минеральной пылью

Минеральная пыль делает его фекалии планктона более плотными

N+1
Привычка быть счастливой Привычка быть счастливой

Как Марина Александрова транслирует свою миссию «делать людей счастливыми»

OK!
Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования Балджи у далеких ярких субмиллиметровых галактик сформировались за счет вспышек звездообразования

Телескопы ALMA и «Джеймс Уэбб» наблюдали балджи у субмиллиметровых галактик

N+1
Фудблогинг Фудблогинг

Среди разнообразия страниц соцсетей блоги о еде пользуются особой популярностью

Здоровье
Мамины помощники Мамины помощники

Как приучить детей выполнять элементарные обязанности по дому?

Лиза
Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли» Рассвет встречала на Эвересте, а закат на Лхоцзе. Как альпинистка Алина Пекова завоевала «Корону Земли»

Альпинистка Алина Пекова — о местах силы и планах на будущее

СНОБ
«Я не тороплюсь рассказывать, сколько мне лет»: как проявляется эйджизм при найме «Я не тороплюсь рассказывать, сколько мне лет»: как проявляется эйджизм при найме

Что такое «янгизм» и почему возраст сотрудника — не главное?

Forbes
В стиле джапанди В стиле джапанди

Неординарное пространство — в стиле джапанди, комфортное и уютное

Идеи Вашего Дома
Сами себя заработают Сами себя заработают

Если копить никак не получается, пора изучить все скрытые возможности денег

VOICE
«Никто не прибьет полку так хорошо, как ты!»: как общаться с окружающими без манипуляций «Никто не прибьет полку так хорошо, как ты!»: как общаться с окружающими без манипуляций

Может ли ложь быть безобидной?

Psychologies
Люди острова Люди острова

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

Seasons of life
Открыть в приложении