24.12.2019

Как перемешивается атмосфера Земли

Как перемешивается атмосфера Земли

Что же скрывается за понятием «гравитационные волны» и почему вышеупомянутые снимки уникальны? Попробуем разобраться. Термин «гравитационная волна» был введен в начале прошлого века замечательным французским ученым Ж. А. Пуанкаре. Десятилетием позже А. Эйнштейн предсказал существование гравитационных волн как колебаний в пространстве-времени в своей общей теории относительности. Как известно, гравитация (всемирное тяготение) имеет место между любыми телами, обладающими массой, причем чем больше масса, тем сильнее притяжение. Например, на планету Земля наибольшее гравитационное воздействие производят Солнце и Юпитер, имеющие массу, многократно превосходящую земную. В свою очередь, масса Земли столь же значительно преобладает над массой любого находящегося на нашей планете объекта. С некоторой долей вольности изложения можно сказать, что наряду с гравитацией космического масштаба действует «местная», земная гравитация. И именно она порождает гравитационные волны в атмосфере и океане, являющиеся в отличие от эйнштейновских физическим явлением. Такие «местные» волны во избежание путаницы называют внутренними гравитационными волнами, или волнами плавучести, и далее разговор пойдет исключительно о них, точнее об атмосферных гравитационных волнах.

Наличие «местной» гравитации порождает стратификацию (расслоение) атмосферы. В нижнем, наиболее плотном слое, тропосфере, температура воздуха убывает с высотой в среднем на 6 К/км, в следующем, более разреженном слое, стратосфере, температура растет, а выше, в еще более разреженной мезосфере, вновь падает. При устойчивой стратификации, когда вертикальный градиент температуры (скорость изменения температуры с ростом высоты) меньше адиабатического (сухо- или влажноадиабатического в зависимости от условий влажности), проникновение в слой «инородных» объемов воздуха вызовет сопротивление окружающей среды: более тяжелый объем начнет «тонуть», а более легкий — «всплывать». Таким образом, сказывается упругость земной атмосферы, и, как в любой упругой среде, внешнее воздействие на нее вызывает ее колебания, проявляющиеся в виде волн.

Обычно выделяют три основных класса атмосферных волн: акустические (звуковые), внутренние гравитационные и планетарные. При этом следует оговориться, что в реальной среде эти волны не проявляются поодиночке, всегда наблюдается их суперпозиция. Акустические волны обусловлены сжимаемостью воздуха. Эти волны являются продольными (то есть волнами, в которых колебания совершаются вдоль направления распространения), их периоды не превышают 300 с, скорость распространения колеблется около 300 м/c, а длина волны — от сантиметров до десятков метров. Планетарные волны, или волны Россби, появляются вследствие силы Кориолиса. Они имеют период от нескольких суток до нескольких месяцев, скорость — до десятков метров в секунду, длину — от сотен до нескольких тысяч километров. Для внутренних гравитационных волн характерный период измеряется несколькими десятками секунд, скорость распространения изменяется от десятков до сотен метров в секунду, длина достигает нескольких десятков километров и более. В отличие от акустических волн внутренние гравитационные волны являются поперечными: колебания среды в них перпендикулярны направлению распространения волны, поэтому они могут распространяться или горизонтально, или под острым углом к земной поверхности. В нижней атмосфере амплитуды внутренних гравитационных волн невелики, однако в верхних слоях они экспоненциально растут вместе с уменьшением плотности воздуха. Этот рост продолжается до тех пор, пока температурный градиент, обусловленный внутренними гравитационными волнами, не превысит адиабатический. По достижении этого условия волна становится неустойчивой, то есть начинается ее разрушение, одновременно усиливающее турбулентную диффузию.

Подробно читайте в журнале "Коммерсантъ Наука"

Центр перспективных экономических исследований Академии Наук РТ 50 лучших инновационных идей для Республики Татарстан Виртуальный музей-библиотека Академии Наук Республики Татарстан Татарстанский ЦНТИ