重力波云 你了解重力波吗?

桃花源记

分享人:桃花源记

2018-07-11 | 阅读:手机版

   
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大气,对我们人类来讲是既熟悉又陌生的一种东西。说他熟悉,因为他在我们身边无处不在,我们人类的生存与发展一刻也离不开它。说他陌生,是因为大气中有很多很多我们看不到也摸不着的东西,但是却时刻影响着我们地球的运行以及我们的生活。今天,我们就来聊一聊大气中的重力波。

简单来说,重力波其实是一种传播在稳定结构大气中的振荡运动,受空气重力和热压力共同作用产生回复力。重力波在全球气象学、气候学和中间层和平流层动力学中扮演重要角色,它也是中高层大气最重要的动力学过程之一。

我们肉眼能观察到的重力波的存在,最为明显的就是那些像山峰一样的漂亮云彩。稳定存在的云层中,一股上升的气流突然进入会引起一阵扰动,然而由于重力的存在,重力会作为回复力去平衡这种扰动,由此,就会形成在垂直方向上的波动,也就是重力波。波动改变了云层的动态曲线,从而诞生了这一印有重力波摆动足迹的云层画卷。这种波动通常会在遇到上升气流或者是雷暴天气中形成,这也解释了为什么层峦叠嶂总能出现在重力波云层的映衬下。

大气中的重力波是怎么产生的呢?其产生的规律又是怎么样的?重力波通常存在于气体的分界面(即密度的跃变面)上,以表面波形式出现:沿表面传播而沿与表面垂直的方向衰减(所谓不均匀波)。透入表面的深度不超过一个波长,由于这一深度依赖于波长,便导致波的频散。但在流体深度h远小于波长的“长波”极限情况下,波压在整个截面上近似为均匀的,波就是“非频散”的了。

大气重力波的一个重要特性是:能流方向一般说来并不沿着波矢方向,其相速度(小于声速)向下,而群速度向上。这种波大抵是在地面附近由于风的作用被激发,例如风遇到山等障碍物时所产生的“背风波”。其能流向上传递直达电离层。由于密度随高度减小,根据能流的连续性,波的振幅势必随高度增加。在60千米以上的高空,风的剖面几乎完全由这种大振幅、长周期的波动所支配;在低层大气中,内重力波虽然也存在,但振幅太小,因而无法接受到。

其实,重力波不仅仅存在于大气当中,更广泛地存在于宇宙里面。爱因斯坦在广义相对论中提出重力波理论,科学家一直希望解开这个谜团。据称美国亚利桑那州立大学在2016年收到可靠证据,称美国激光干扰重力波观测站(LIGO)已成功侦测到宇宙中的重力波。

爱因斯坦在广义相对论提出,物质在时空中运动时,附近曲率会随之改变;如果大质量物体运动,例如两个黑洞碰撞,所产生的曲率变化会像波一样向外传播,导致时空压缩、伸展,此现象为重力波。

LIGO在首都华盛顿及路易斯安那州各装设一块巨型镜片,再发射激光,让光束在两块镜片之间往来穿梭,再侦测光束内的电讯干扰,推断其是否属于重力波。研究指出,即使重力波存在,其能量亦非常微小,传到地球时已几乎消失,加上电讯干扰来源众多,要在当中找出重力波的踪影,如大海捞针。

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