Исследователи из Массачусетского технологического института определили менее драматичный, но гораздо более распространенный источник акустико-гравитационных волн: поверхностные океанские волны, такие как те, которые можно увидеть с пляжа или палубы лодки. Эти волны, известные как волны поверхностной гравитации, не распространяются так быстро, далеко или глубоко, как волны акустической гравитации, но при правильных условиях они могут генерировать мощные, быстро движущиеся и низкочастотные звуковые волны.Исследователи разработали общую теорию, которая связывает гравитационные и акустические волны. Они обнаружили, что, когда две поверхностные гравитационные волны, движущиеся навстречу друг другу, колеблются с одинаковой, но не одинаковой частотой, их взаимодействие может высвободить до 95 процентов их начальной энергии в виде акустической волны, которая, в свою очередь, несет эту энергию. энергия и путешествует намного быстрее и глубже.
Это взаимодействие может происходить где угодно в океане, в частности в регионах, где взаимодействуют поверхностные гравитационные волны, когда они отражаются от разломов континентального шельфа, где глубоководные участки внезапно сталкиваются с гораздо более мелкой береговой линией.Усама Кадри, приглашенный доцент и исследовательский филиал математического факультета Массачусетского технологического института, говорит, что результаты команды устанавливают конкретную и детальную взаимосвязь между поверхностными гравитационными волнами и акустико-гравитационными волнами, которых до сих пор ученые подозревали, не существует. Понимание этой взаимосвязи, по его словам, позволяет исследователям описать, как происходит обмен энергией между гравитацией и акустическими волнами.
Он говорит, что эта энергия может быть жизненно важной для многих форм морской жизни, и она может играть роль в переносе воды и перераспределении углекислого газа и тепла в более глубокие воды, тем самым поддерживая здоровую морскую среду.Кадри и его коллега Триантафиллос Акилас, профессор машиностроения Массачусетского технологического института, опубликовали свои результаты в Journal of Fluid Mechanics.Адаптация к реальному миру
По большей части гравитационные волны и акустические волны рассматривались как совершенно разные сущности, не влияющие друг на друга. Это потому, что их свойства очень разные как по продолжительности, так и по срокам.
Хотя гравитация является основной силой, действующей для восстановления и стабилизации поверхностных гравитационных волн (отсюда и название), ее влияние на звуковые волны незначительно. С другой стороны, слабая сжимаемость воды — это то, что позволяет волнам давления, таким как звук, проходить сквозь нее, хотя это свойство почти не влияет на поверхностные волны.Кадри говорит, что типичные уравнения водных волн, используемые для характеристики взаимодействия океанских волн, неприменимы к акустико-гравитационным волнам, поскольку они не учитывают сжимаемость и гравитационные эффекты.
«Без сжимаемости и гравитации мы не сможем правильно описать низкочастотные звуковые волны», — говорит Кадри. «Это одна из причин, по которой исследователи в основном упускают из виду акустико-гравитационные волны».Кадри вывел волновое уравнение, которое включает в себя сжимаемость и гравитацию, а также нелинейные члены более высокого порядка.«В линейной теории две волны поверхностной гравитации, движущиеся навстречу друг другу, не ощущают друг друга; они приближаются, проходят друг мимо друга, а затем удаляются, не обмениваясь какой-либо формой энергии, как будто они никогда не встречались», — объясняет Кадри. "Однако на самом деле картина более сложная, и в игру могут вступать нелинейные эффекты, приводящие к обмену энергией и даже к генерации новых волн, иногда.
Здесь в определенных частотных диапазонах гравитационные волны могут фактически создавать акустическую волну, которая полностью разные свойства — и это потрясающе ».Идя ко днуНедавно полученное волновое уравнение позволило Кадри изучить поведение как акустических, так и гравитационных волн. Он проанализировал теоретические взаимодействия в волновой триаде, состоящей из двух поверхностно-гравитационных волн и одной акустико-гравитационной волны.
В 2013 году он численно доказал, что эта конфигурация волн должна резонировать или обмениваться энергией, а это означает, что, когда две из трех волн колеблются, они должны заставлять третью волну колебаться в ответ. Теперь, используя модифицированное волновое уравнение, а также анализ нескольких масштабов, он вывел так называемые «эволюционные уравнения», описывающие, как амплитуды всех трех волн изменяются при обмене энергией.Удивительно, но он подсчитал, что если две поверхностные волны текут навстречу друг другу примерно с одинаковой частотой и амплитудой, когда они встречаются и катятся друг через друга, большая часть их энергии — до 95 процентов — может быть превращена в звуковую волну, или акустико-гравитационная волна.
Эта энергия может колебаться в зависимости от начальных амплитуд и частот поверхностных гравитационных волн. Даже когда поверхностные гравитационные волны распространяются в виде коротких всплесков, они все равно могут передавать более 20 процентов своей энергии акустико-гравитационным волнам, и этим количеством нельзя пренебрегать.
«Это невероятно, просто подумать о том, что эти волны такие разные», — говорит Кадри. «То, что они делятся энергией, действительно захватывающе; это объясняет, как часть энергии, которая поступает из атмосферы, от солнца и ветра в верхнюю часть океана, на самом деле может быть направлена ??в глубокие океанские глубины с помощью акустических сигналов. гравитационные волны ".Кадри говорит, что результаты могут помочь ученым связать взаимодействия не только между поверхностными и глубоководными водами океана, но и с атмосферными силами, которые влияют на поверхностные волны.
Теперь Кадри привносит это новое понимание волновых взаимодействий в важнейшее приложение: обнаружение цунами. Он работает с Океанографическим институтом Вудс-Хоул над разработкой системы для обнаружения акустико-гравитационных волн, которые предшествуют цунами и распространяются более чем в 10 раз быстрее, чем более разрушительная волна.
«Сильные морские явления, такие как цунами, волны-убийцы, штормы, оползни и даже падение метеорита, могут генерировать акустико-гравитационные волны», — говорит Кадри. «Мы надеемся, что сможем использовать эти волны для раннего оповещения о сильных морских волнениях в целом и цунами в частности, и потенциально спасти жизни».