Гравитационная волна: Недопустимое название | Наука | Fandom

Гравитационная волна | это… Что такое Гравитационная волна?

Поляризованная гравитационная волна

У этого термина существуют и другие значения, см. Гравитационная волна (значения).

Гравитацио́нная волна́ — возмущение гравитационного поля, «рябь» ткани пространства-времени, распространяющаяся со скоростью света.^[1] Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО) и многими другими теориями гравитации, но ввиду их чрезвычайной малости пока не зарегистрированы напрямую. Тем не менее, косвенные свидетельства их существования достаточно весомы — ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем двойных звёзд за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина — относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов сверхновых, слияний нейтронных звёзд, захватов звёзд чёрными дырами и т. п.) при измерениях в Солнечной системе весьма малы (h=10⁻¹⁸—10⁻²³). Слабая (линейная) гравитационная волна, согласно общей теории относительности, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг ко другу (имеет два направления поляризации).

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая движущаяся ускоренно материя. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна ускорению и массе генератора, то есть ~ma. Однако, если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m₁a₁ = −m₂a₂. Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они существенно взаимно гасятся. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр (r — характерный размер излучателя, T — характерный период движения излучателя, c — скорость света в вакууме).

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема Солнца и Юпитера. Мощность этого излучения — примерно 5 киловатт, таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся галактики (гигантские массы, небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай — это слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости^[2].

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию за счёт излучения гравитационных волн, и в конце концов сливается воедино. Но для обычных, некомпактных двойных звёзд этот процесс занимает очень долгое время, много большее настоящего возраста Вселенной. Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Однако на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая, по некоторым оценкам, более 50 % от массы системы.

Регистрация гравитационных волн

Основная статья: Детектор гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов, но на данный момент нет достоверных сведений об их непосредственной регистрации. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного пульсара. Подобные события происходят в окрестностях нашей галактики ориентировочно раз в десятилетие^[3].

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651)^[4] и системы двойных белых карликов RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО^[5].

По оценкам, наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности Земли на 10⁻²¹ — 10⁻²³. Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино^[6].

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые времена после Большого взрыва. Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной.^[2]

См. также

• Einstein@Home — проект распределённых вычислений для поиска гравитационных волн.
• PSR B1913+16 — двойная система — пульсар, исследование которой дало первое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• PSR J0737-3039 — двойная система пульсаров, исследование которой дало весомое косвенное подтверждение существования гравитационных волн.
• Гравитационный телескоп
• Скорость гравитации
• Гравитон
• MiniGrail — Детектор гравитационных волн
• LISA — Детектирование гравитационных волн при помощи космических аппаратов

Примечания

1. ↑ Из-за эффекта нелинейности гравитации гравитационные волны в принципе могут распространяться и с меньшей скоростью.
2. ↑ ^{1 2} Липунов В. М. Гравитационно-волновое небо. // Соросовский образовательный журнал, 2000, № 4, с. 77-83.
3. ↑ LIGO: A Quest for Gravity Waves. Astro Guyz March 12, 2010.
4. ↑ CfA Press Room
5. ↑ Пресс-релиз на сайте «РосИнвест».
6. ↑ Сипаров С.В., Самодуров В.А. Выделение составляющей излучения космического мазера, возникающей из-за гравитационно-волнового воздействия. // Компьютерная оптика №33 (1), 2009, с. 79.

Литература

• Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7 — Глава XIII
• Мизнер, К. Торн, Уиллер Гравитация. Глава 34.
• Липунов В. М. В мире двойных звезд. М.: Наука, 1986.
• Липунов В. М. Все нейтронные звезды. М.: Просвещение, 1989.
• Липунов В. М. Искусственная Вселенная // Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 6. С. 82-89.
• Липунов В. М. Военная тайна астрофизики // Соросовский Образовательный Журнал. № 5. С. 83-89.
• Черепащук А. М. Черные дыры в двойных звездных системах // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 87-93.
• Шакура Н. И. Нейтронные звезды и черные дыры в двойных звездных системах. М.: Знание, 1976.
• Шкловский И. С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть. М.: Наука, 1984.

Ссылки

• Гравитационно-волновая астрономия: в ожидании первого зарегистрированного источника. Обзор в УФН.
• Статья о гравитационном излучении
• Популярный обзор на начало 2007 г.
• Итоги обработки данных LIGO S3 в проекте Einstein@Home
• Детектор гравитационных волн
• Гравитационные волны. Передача А. Гордона
• В поисках гравитационных волн. Проект LIGO
• Поиск гравитационный волн

На гребне метрического тензора: все, что нужно знать о гравитационных волнах

11 февраля участники коллаборации LIGO провели пресс-конференцию, на которой объявили о том, что нашли гравитационные волны с помощью лазерной интерферометрии. N+1 собрали основную информацию о гравитационных волнах в вопросах и ответах. В составлении этого материала им помогал руководитель научной группы Российского квантового центра, профессор МГУ и участник проекта LIGO Михаил Городецкий.

— Откуда взялась идея гравитационных волн?

— Впервые гравитационные волны были предложены самим Эйнштейном в работе 1916 года, то есть почти 100 лет назад. Уравнение для волн является следствием уравнений теории относительности и выводится не самым простым образом. То есть даже на теоретическом уровне существование таких волн, вообще говоря, не слишком очевидно. Спустя два года, в 1918 году, вышла работа, целиком посвященная этим волнам. Пожалуй, ее можно считать основополагающей в этом направлении исследований.

— Что может испускать гравитационные волны?

— Источником гравитационных волн является любое тело, обладающее массой, которое движется с ускорением. В модельном случае волны выводятся для пары вращающихся вокруг общего центра масс тел. Испускание волн является механизмом потери энергии для такой системы. 

Как работает LIGO?

В проект входят две обсерватории на расстоянии 3002 км друг от друга. У каждой обсерватории есть детектор. Это L-образная труба с плечами по 4 км каждая, внутри которой создается высокий вакуум. Луч лазера расщепляют перед рукавами. Два дочерних луча проходят по рукавам, а потом вновь объединяются. Если пространство-время невозмутимо, то лучи совпадут по фазе. В том случае, если сквозь детектор проходит гравитационная волна, лучи пройдут не совсем одинаковой путь и совпадут не полностью. Образуется интерференционная картинка, которую и ищут исследователи.

В реальности на роль таких тел претендуют пары черных дыр или нейтронных звезд, вращающихся вокруг общего центра масс достаточно быстро и достаточно близко друг от друга. Из-за потери энергии за счет гравитационного излучения эти тела постепенно сближаются, увеличивая скорость обращения и тем самым частоту испускаемых гравитационных волн, пока не сольются в одно тело. Основная часть гравитационного излучения приходится на последние доли секунды перед слиянием, когда тела начинают двигаться со скоростями, сравнимыми со скоростью света.

Замечательно то, что физики умеют на компьютерах рассчитывать гравитационные сигналы от таких событий, если задать начальные условия. Также источниками гравитационных волн могут быть взрывы сверхновых. Главное, чтобы такой взрыв не был идеально симметричным, иначе волн не получится. Подойдет и быстро вращающийся, но тоже не симметричный компактный объект.

— Что колеблется в гравитационных волнах?

— Когда речь идет про звуковые волны, то мы говорим о колебаниях воздуха. С гравитационными волнами все сложнее: по сути в них колеблется даже не само пространство, а его геометрия. В теории относительности гравитация описывается в терминах кривизны пространства. За геометрию в этой теории отвечает метрика: грубо говоря, это такая штука, которая каждой точке пространства-времени присваивает 10 чисел, записанных в виде симметричной 4 на 4 матрицы. Числа меняются от точки к точке и характеризуют геометрию. Собственно эта метрика и меняется периодически во времени.

— Если я встречу гравитационную волну, я что-нибудь почувствую?

— Колебания геометрии означают, что в пространстве будут периодически изменяться расстояния между объектами, углы между кривыми. Например, можно провести такой мысленный эксперимент. Представим, что на белой стене у нас нарисован круг. Грубо говоря, если навстречу нам будет идти волна, то мы увидим, как этот круг деформируется, например, в эллипс и обратно. Если говорить про другие чувства, не только зрение, то еще один способ интерпретировать волну — это фактически меняющаяся со временем приливная сила, действующая на любое тело (градиент ускорения). Поэтому, если бы эта волна была в квинтильон раз (1018) больше, чем те, что приходят из далекого космоса, а частота раз в сто меньше, вы бы почувствовали, что ваше тело растягивает и сжимает какая-то непонятная сила.

Именно на этом принципе — почувствовать дрожание, вызванное таким периодическим воздействием, работают так называемые резонансные детекторы на болванках (многотонных чушках из алюминиевого сплава, охлаждаемые до криогенных температур и обвешанных детекторами). От них отказались из-за слабой по сравнению с LIGO чувствительностью.

— А гравитационные волны поперечные или продольные?

Когда речь идет об обычных волнах, можно говорить о колебании некоторых точек, например молекул воздуха, и как это колебание соотносится с направлением движения волны, за которое обычно берут направление переноса энергии. Гравитационные волны, как уже говорилось, представляют собой сложные колебания геометрии пространства-времени, задаваемые метрикой. Но для удаленных источников гравитационные волны все-таки можно назвать поперечными. В отличие от, скажем, электромагнитных волн они характеризуются не поперечным вектором, а поперечным тензором h. Поэтому можно выделить две поляризации, соответствующие не ортогональным векторам, а повернутым на 45 градусов тензорам h+ и h× (наклонный крестик умножения, а не буква x), которые соответствуют одновременному периодическому расширению/сжатию верх-низ/право-лево или по диагоналям, если смотреть по направлению распространения волны.

— Ладно, 100 лет назад эти волны предсказали. А почему их еще не нашли?

— Штука в том, что гравитационные волны очень и очень слабые по всем параметрам. Вернемся к эксперименту с кругом. Представим что волна сжимает пространство так, что круг превращается в эллипс. Можно взять отношение малого радиуса к эллипсу к большому и обозначить его через h. Типичное значение h для проходящих через Землю гравитационных волн должно составлять 10-21. В оригинальной работе Эйнштейна была предсказана мощность гравитационного излучения метрового стального стержня, вращающегося с предельной скоростью, — она составила 10-37 ватт.

Для того чтобы образовалась более или менее регистрируемая гравитационная волна, требуются мощные катастрофические события типа столкновения черных дыр или нейтронных звезд или взрывы близких сверхновых. Понятно, что такие события происходят достаточно редко. Но физики научились приблизительно рассчитывать вероятность таких событий и, соответственно, вероятность их обнаружения при заданной чувствительности. Еще в 1992 году получили оценки, что для надежной регистрации нескольких событий в год требуется чувствительность, которую гравитационные антенны достигли только сейчас. 

Здесь действует простое соображение. Допустим, что при данной чувствительности расчеты показывают, что мы в среднем будем наблюдать 1 событие в сто лет. Если мы увеличим чувствительность в десять раз (как это случилось с новой антенной LIGO под названием Advanced LIGO), насколько нам это поможет. Ответ: мы будем тогда в среднем наблюдать 10 событий в год, то есть вероятность обнаружить что-то повышается в 1000 раз. Дело в том, что мы при этом в 10 раз увеличиваем расстояние на котором можем засечь событие, а значит в 1000 раз увеличиваем объем «прослушиваемого» пространства. Таким образом, короткое наблюдение современной антенны дает больше данных, чем десятилетия всех предыдущих наблюдений.

— А разве совсем недавно уже не находили гравитационные волны?

— Да, в марте 2014 года появилась информация, что эксперимент BICEP2 такие волны нашел. Тогда речь шла не о прямой регистрации, а о наблюдении неоднородностей в поляризации реликтового излучения. Реликтовое излучение — это излучение, оставшееся от самой ранней эпохи существования Вселенной. Волны, которые ищут с помощью проекта, остались от Большого взрыва, и их длина сравнима с размером Вселенной. Спустя некоторое время, однако, возникли сомнения в достоверности самого открытия. Оказалось, что авторы недостаточно учли влияние космической пыли, которая оказалась способна имитировать следы от гравитационных волн. В результате статистическая значимость результата понижалась несколько раз, что, в конце концов закончилось статьей в Nature, отменившей по сути это открытие.

— Я что-то слышал про гравитационные волны в атмосфере Земли…

— Есть забавная терминологическая коллизия. В гидродинамике есть класс поверхностных волн, в которых сила, возвращающая колеблющуюся поверхность к состоянию равновесия, это просто сила тяжести. Такие волны в русскоязычной терминологии тоже называются гравитационными. Штука в том, что обычные волны на поверхности пруда — это и есть гравитационные волны в этой терминологии. Их найти труда не составляет.

— Если есть волна, она несет энергию. А что является квантом гравитационных волн?

— В настоящее время квантовая теория гравитации не разработана. Хотя можно по аналогии с электромагнитной теорией ввести гипотетический квант гравитационного поля — гравитон, бозон без массы со спином 2. Пока попытки объединить квантовую теорию с общей теорией относительности наталкиваются на большие сложности. Есть сценарии, где гравитационные антенны могут помочь в продвижении к такому объединению.

— Как укладывается этот квант в стандартную модель? Или он не укладывается?

— Он не укладывается, поскольку гравитация в ОТО описывается особым образом как кривизна пространства-времени, в котором действует стандартная модель. Для введения гравитона требуется квантовая теория гравитации, которая еще не создана. 

— Вообще какие теории совместимы, а какие несовместимы с существованием гравиволн?

— В общем-то, все признанные современные теории совместимы с существованием гравитационных волн. Если удастся в будущем найти какие-то расхождения с расчетами по ОТО (например, в ультрарелятивистском случае, когда сливающиеся массы двигаются со скоростями, близкими к скорости света), это может быть свидетельствами за или против новых теорий.

— Какие эксперименты ищут гравиволны? Как это делается?

— Для поиска гравитационных волн есть несколько подходов (приведем их в порядке роста длин волн/уменьшения частот).

1. Резонансные детекторы на болванках — выше их уже упоминали. Это исторически первый тип антенн, предложенный Джо Вебером. Это, например, проекты AURIGA, MiniGRAIL.

2. Лазерные интерферометрические антенны — LIGO, Virgo, GEO600, KARGA.

3. Космические интерферометрические антенны — проект LISA (в прошлом году был запущен тестовый спутник для этого проекта). Это поиск гораздо более длинноволновых гравитационных волн, чем в проекте LIGO.

4. Долговременное слежение за пульсарами во Вселенной. Пульсары представляют собой очень точные космические «часы». Гравитационные волны от слияния гигантских черных дыр (вроде тех, что находятся в ядрах галактик) должны приводить к изменениям хода пульсарных часов. Даже когда частоты обращения еще малы. Заметить эти изменения можно, сравнивая разные пульсары между собой. В прошлом году были опубликованы первые отрицательные результаты такого эксперимента. Они говорят о том, что сейчас (а точнее, миллиарды лет назад с учетом космологических расстояний) столкновения таких сверхмассивных черных дыр нигде не происходят. Либо мы просто еще не понимаем чего-то важного.

5.Проект BICEP, который занимается поиском первичных гравитационных волн в поляризации реликтового излучения. О результатах этих наблюдений уже говорилось выше.

Спутниковые приложения для образования в области наук о Земле

Определение волны

Волна — это возмущение, распространяющееся в среде, например в космосе, или вдоль границы раздела двух сред. Волны электромагнитного излучения не нуждаются в среде, но могут распространяться в вакууме.

Характеристики и определения океанских волн:

• Высота волны – расстояние по вертикали от самой высокой точки гребня до самой низкой точки впадины волны
• Амплитуда волны – расстояние по вертикали между самой высокой или самой низкой точкой волны и горизонтальным отсчетным уровнем, например, невозмущенной поверхностью моря
• Длина волны – расстояние по горизонтали между последовательными гребнями или впадинами волн
• Волновое число – два пи, деленные на длину волны
• Частота волн – количество волн, проходящих определенную точку в единицу времени
• Радианная частота – частота волны, умноженная на два пи
• Фазовая скорость – длина волны, умноженная на частоту
• Крутизна волны – высота волны, деленная на длину волны

Классификация океанских волн

Океанские волны классифицируются на основе силы, порождающей волну, и/или силы, которая
стремится восстановить поверхность океана до ровной поверхности (возвращающая сила).

Гравитационная волна — это волна, распространяющаяся вдоль границы раздела двух жидкостей, динамика которой
преобладают эффекты гравитации. Термин «гравитационная волна» обычно применяется к ветровым,
периодические смещения морской поверхности, хотя номинально цунами также являются гравитационными волнами.

Капиллярная волна – это волна, бегущая вдоль
поверхность раздела двух жидкостей, в динамике которых преобладают эффекты
поверхностное натяжение. Капиллярные волны широко распространены в
природа и дом, и их часто называют
рябь. Длина волны
капиллярных волн обычно меньше сантиметра (из Wikipedia.org).

Дистанционное зондирование океанских волн

Гравитационные волны, капиллярные волны и гравитационно-капиллярные волны (промежуточные по масштабу между гравитационными и капиллярными волнами)
можно легко наблюдать на изображениях морской поверхности, полученных с помощью дистанционного зондирования, особенно в данных радара с синтезированной апертурой (или SAR) и данных скаттерометра. Оба САР
а скаттерометры измеряют шероховатость поверхности и, таким образом, не обеспечивают прямого измерения приземного ветра, а потому, что
шероховатость поверхности изменяется в зависимости от скорости и направления ветра, эти инструменты можно использовать для оценки ветра.
Рефлектометры наиболее чувствительны к коротким (миллиметрово-сантиметровым) волнам из-за явления резонанса, которое
происходит между радарными волнами и океанскими волнами. Короткие поверхностные волны (капиллярные волны, гравитационно-капиллярные волны и
гравитационные волны) реагируют на местные ветровые условия и почти мгновенно реагируют на воздействие ветра. По этой причине,
измерения распределения и выравнивания (также известные как двумерный волновой спектр) коротких ветровых волн могут быть
используется для определения скорости и направления ветра на поверхности моря в конкретном месте.

Глобальная карта вектора ветра, показанная на
Урок 1 («Наблюдение за океанами из космоса») был подготовлен с использованием данных, полученных скаттерометром QuikScat, основанным на этом принципе. На рис. 1 показан
пример оценок ветра, полученных с помощью скаттерометра, полученных во время урагана «Иван» в 2004 г. Линии тока показывают направление ветра,
а цвет указывает на скорость ветра.

Рис. 1. Приземные ветры во время урагана «Иван», оцененные по измерениям скаттерометра QuikScat.
(Нажмите, чтобы увеличить)

Измерения рефлектометра также успешно использовались для картографирования морского льда в полярных регионах Земли,
и были ценным инструментом для отслеживания последних изменений в этих областях. Эти данные особенно ценны, поскольку
Снег и лед (а также различные типы снега и льда) выглядят очень похожими при просмотре на оптических частотах. Шероховатость
этих поверхностей могут существенно различаться, поэтому радиолокационные наблюдения оказались неоценимыми при картографировании и измерении этих
отдаленные регионы.

На рисунках 2а и 2б представлены изображения Арктики и Антарктиды соответственно, сделанные аппаратурой дистанционного зондирования Земли.
Лаборатория Университета Бригама Янга.

А цунами – волна, порождающей силой которой является быстрое перемещение значительной массы
под водой, например землетрясение, извержение вулкана и другие подводные взрывы или оползни. 26 декабря 2004 г.
подводное землетрясение вызвало огромное цунами в Индийском океане, вызвавшее огромные разрушения. Джейсон-1
альтиметр прошел над районом через несколько часов после события и получил данные, изображенные на рис. 3.

Рис. 3. Изображение на верхней панели создано по измерениям альтиметра, полученным системой Jason-1 2 часа
после землетрясения 26 декабря 2004 г. , вызвавшего цунами, проявляющего аномалию поверхности моря (отличие от среднего
высота поверхности моря) для региона. Нижняя панель показывает изменения высоты морской поверхности на срезе волны.
фронт. Измерения (черные) сравниваются с предсказаниями модели (синие) волны, вызванной событием. Изображение
любезно предоставлено НОАА.
(Нажмите, чтобы увеличить)

Пограничные волны распространяются вдоль границы между двумя средами, например
как жидкости с разной плотностью или граница раздела воздух-море.

• Океан имеет вертикальную стратификацию в зависимости от температуры, солености и плотности.
• Мировой океан состоит из трех основных слоев:
• Поверхностный слой (глубина 0–~200 м)
• Средний слой (глубина ~200 – 1500 м)
• Глубинный слой (после 1500 м)
• Основа поверхностного слоя называется
• термоклин при рассмотрении стратификации по температуре
• галоклин при рассмотрении стратификации по солености
• пикноклин при рассмотрении стратификации по плотности

На рисунках 4–6 показано расположение термоклина, пикноклина и галоклина, а также показано, как соленость, плотность и температура меняются с глубиной в океане.

На рис. 6 показано изменение солености с глубиной в океане.
(Нажмите, чтобы увеличить)

• Стратификация океана различна
• С сезоном – в летние месяцы повышенное количество солнечного света и слабый ветер создают резкий температурный градиент между теплыми поверхностными водами моря и более прохладными глубинными водами.
• С широтой – в высоких широтах поверхностные воды прохладные и перекрывают глубинные, холодные воды
• Стратификация океана ограничивает вертикальное движение воды – циркуляция преимущественно горизонтальная в районах с хорошо развитой стратификацией
• Существует три типа стратифицированных жидкостей в зависимости от количества работы, необходимой для вертикального перемещения порции воды внутри жидкости. Для стратифицированной жидкости уравнение устойчивости определяется (приблизительно) как скорость изменения плотности с глубиной.
• Жидкость считается стабильно стратифицированной, если скорость изменения плотности с глубиной положительна
• Жидкость считается нестабильно стратифицированной, если скорость изменения плотности с глубиной отрицательна
• Жидкость считается нейтрально стратифицированной, если ее плотность не меняется с глубиной.

Внутренние волны — это океанские волны, которые распространяются под водой вдоль термоклина. Они могут иметь чрезвычайно большую амплитуду (~100 метров) и хорошо видны на оптических и радиолокационных изображениях из космоса.

На рис. 7 представлено изображение внутренних волн в море Сулу, полученное спектрорадиометром Aqua Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) в истинных цветах.

Рис. 7. MODIS-изображение внутренних волн в море Сулу. Изображение из НАСА.
(Щелкните, чтобы увеличить)

В условиях слабого или умеренного ветра внутренние волны можно легко обнаружить на изображениях морской поверхности с помощью РСА. Системы SAR получают изображения морской поверхности сравнительно высокого разрешения.
Хотя внутренние волны имеют крупномасштабные характеристики с длинами волн порядка сотен метров, они
генерируют интенсивные поверхностные течения, которые модулируют ветровую волну порядка десятков метров в
сантиметры. На рис. 8 приведен пример РСА-изображения внутренних волн.

Погода: что такое «гравитационная волна»?

Это атмосферное явление может сотрясать самолеты на многие мили вокруг.

1 марта 2017 г.
Джек Уильямс

Атмосферные гравитационные волны могут образовываться, когда ветер дует в горах.

1. Ветер, дующий с горы, поднимает пузырь воздуха.

3. Охлаждение воздуха по мере его подъема делает воздух более плотным; подъем воздуха замедляется, и в конце концов он начинает опускаться.

5. Теперь, когда пузырь воздуха теплее и менее плотный, чем окружающий воздух, воздух снова начинает подниматься.

2. Импульс уносит пузырек вверх, противодействуя силе тяжести, после того как он остынет ниже температуры окружающего воздуха.

4. Когда он тонет, гравитация ускоряет движение вниз. Воздух нагревается, когда он тонет.

6. Движение вверх-вниз продолжается, медленно затухая по мере того, как ветер уносит волну.

Летный инструктор Грегори Бин описал странную погодную ситуацию в колонке «Никогда больше» на сайте AOPA Online от 8 апреля 2004 года.

Бин говорит, что он «не заметил сильного ветра» апрельским днем, когда готовился к взлету из Берлингтона, штат Вермонт. В его погодном брифинге не было и намека на то, что стоит беспокоиться о погоде. Тем не менее, когда он готовился к взлету, автоматизированная информационная служба аэровокзала сообщила о «ветре от 140 градусов со скоростью 20 узлов с порывами до 35 узлов при установке высотомера на 29 градусов».0,74 — давление быстро падает». Давление продолжало падать; во время разбега диспетчер сказал: «Высотомер 29,65!»

После взлета: «Турбулентность была такой сильной, с какой я никогда не сталкивался. Моя рука дико тряслась, когда я переключал частоту на «Отправление», и мои глазные яблоки тряслись, когда я пытался сосредоточиться на своих инструментах, — сказал Бин. Во время набора высоты «мой высотомер показывал 3600 футов. Индикатор вертикальной скорости был привязан». После того, как он сказал диспетчеру, что возвращается на посадку, «читать показания моих приборов было достаточно сложно, не говоря уже о том, чтобы читать контрольный список! К счастью, моя посадка прошла без происшествий».