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

Роза пустыни в нашем доме Роза пустыни в нашем доме

Мода на так называемые бутылочные деревья принесла нам маленькое чудо — адениум

Наука и жизнь
«Махнул пером – отдал сыграть...» «Махнул пером – отдал сыграть...»

Отнести ранние драматургические опыты Грибоедова к «комедийкам» будет неверно

Знание – сила
Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

Лечение коровьим молоком, первый советский дирижабль и Будда в кинематографе

Наука и жизнь
«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
Мышь против 007 Мышь против 007

Краткая история «Тома и Джерри»

Weekend
Больше, чем орган слуха: насколько важны наши уши Больше, чем орган слуха: насколько важны наши уши

Как работают наши уши и какое влияние они оказали на развитие мировой культуры

Правила жизни
Семейные ценности Семейные ценности

Уютный загородный дом для большой семьи из трех поколений

SALON-Interior
Самая близкая химия Самая близкая химия

Академик Степан Калмыков — о том, насколько Менделеев повлиял на развитие химии

Наука и жизнь
Ветряки, солнечные панели и декарбонизация бизнеса: какой будет энергетика будущего Ветряки, солнечные панели и декарбонизация бизнеса: какой будет энергетика будущего

Есть ли у человечества возможность отказаться от грязных ресурсов?

Forbes
«Каникулы»: драмеди о приключениях двух учительниц на театральном фестивале в Сочи «Каникулы»: драмеди о приключениях двух учительниц на театральном фестивале в Сочи

Почему драмеди «Каникулы» обязательно стоит посмотреть?

Forbes
В погоне за трендами В погоне за трендами

Как следить за всеми модными веяниями и удачно внедрять их в свой гардероб

Лиза
«Быть женщиной в итальянском бизнесе проще»: как бренды сочетают традиции и тренды «Быть женщиной в итальянском бизнесе проще»: как бренды сочетают традиции и тренды

Почему устойчивое развитие — важный аспект для любого модного производства

Forbes
Заброшенная натура Заброшенная натура

Москвич находит интересные заброшенные объекты и организует туда туры

Отдых в России
Объект неустанного разоблачения Объект неустанного разоблачения

Тайная полиция, спрятанные сокровища и другие мифы о Ватикане

Weekend
Петербург будущего Петербург будущего

Основатель бюро SLOI Валентин Коган — самый успешный молодой архитектор Питера

Собака.ru
Чужая территория: что учесть при выходе на рынок Азии Чужая территория: что учесть при выходе на рынок Азии

Особенности азиатского рынка, его тренды и возможности

Inc.
Неумолимая правдивость фантасмагории Неумолимая правдивость фантасмагории

Как разрушаются границы реальности в «Театральном романе» Михаила Булгакова

Weekend
Я возвращаю ваш портрет Я возвращаю ваш портрет

Знакомство с профайлерами — специалистами, которые помогают ловить преступников

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Боязнь чистого листа Боязнь чистого листа

Трансформация из художника в дизайнера: путь Кристиано Гатто

Y Magazine
Зачем советскому грузовому самолету Ил-76 две кабины и странный грузовой люк Зачем советскому грузовому самолету Ил-76 две кабины и странный грузовой люк

Ил-76: зачем его конструкторы изменили стандартную конструкцию самолета?

ТехИнсайдер
Что такое фототерапия: как принять и полюбить свою внешность Что такое фототерапия: как принять и полюбить свою внешность

Могут ли селфи помочь принять себя?

Psychologies
Знали ли вы, что витамины можно «вдыхать» Знали ли вы, что витамины можно «вдыхать»

Почему мы чувствуем бодрость, когда вдыхаем свежий воздух на природе?

ТехИнсайдер
Алмаз из пробирки Алмаз из пробирки

Российские ювелиры — о лабораторно выращенных бриллиантах

RR Люкс.Личности.Бизнес.
Заплатить долги Заплатить долги

Что и кому мы должны в семье? И кто это решает?

Psychologies
Что такое черри-пикинг и как понять, что собеседник использует его против вас Что такое черри-пикинг и как понять, что собеседник использует его против вас

По каким признакам можно распознать черри-пикинг, что ему можно противопоставить

Psychologies
Между искусством и фейком Между искусством и фейком

10 эпизодов сюр(реализм)а в моде

Weekend
Мое тело: совершенствование VS принятие Мое тело: совершенствование VS принятие

Можно ли найти гармонию с собственным телом, если мы им недовольны?

Psychologies
Важный показатель Важный показатель

Что такое гликированный гемоглобин, кому и зачем его стоит сдавать

Лиза
Изменения к лучшему: каким получился обновленный кросс-купе Exeed RX Flagship Изменения к лучшему: каким получился обновленный кросс-купе Exeed RX Flagship

Чем кросс-купе Exeed RX Flagship отличается от своего «старшего брата»

Forbes
Как превратить «недоотношения» в отношения? Попробуйте «суповой тест» Как превратить «недоотношения» в отношения? Попробуйте «суповой тест»

Как «суповой тест» поможет прояснить отношения?

Psychologies
Открыть в приложении