超重力波

超重力波

重力波(gravity waves)在流體力學,是在液體介質內或兩種介質界面間(例如大氣海洋間)的一種波,其恢復力來自於重力浮力。當一小團液體離開液面(界面類型)或者在液體中到了一個液體密度不同之區域(液體內類型),透過重力作用,這團液體會以波動形式在平衡態之間擺盪。

在液體介質內的類型又稱為內波,在兩界面間的類型又稱為表面重力波表面波

基本介紹

  • 中文名:超重力波
  • 外文名:gravity waves
  • 定義1:指“引力波”(相對論)
  • 定義2:指“重力波”(流體力學)
  • 意義:研究地震與海嘯的形成原因
  • 學科:大氣學、天體物理學
內容簡介,重力波(引力波;相對論),試驗,實驗一,實驗二,

內容簡介

不可壓縮流體中一種以重力為恢復力。它通常存在於兩種不同流體(例如氣體和液體)的分界面(即密度的躍變面)上,以表面波形式出現:沿表面傳播而沿與表面垂直的方向衰減(所謂不均勻波)。透入表面的深度不超過一個波長,由於這一深度依賴于波長,便導致波的頻散。但在流體深度h遠小于波長的“長波”極限情況下,波壓在整個截面上近似為均勻的,波就是“非頻散”的了。
不可壓縮流體中的速度勢Φ滿足拉普拉斯方程:▽=γΦ=0
重力波的衰減主要由三方面引起:流體與基底的摩擦(當h很大時可忽略);流體內部的粘滯效應;表面損耗。表面損耗的機制與表面張力偏離其平衡態值有關,它在流體表面有一層薄膜雜質(例如水面上的油污)時特別重要。
除了上述的表面重力波以外,還存在一種內重力波(簡稱內波)。它不是存在於兩種不同媒質的分界面上,而是存在於內部密度的連續分層變化的同一種媒質中,這種情況的一個典型是處於重力場的連續媒質(如大氣)。
大氣密度隨高度z指數性地減小:
其中H稱為勻質大氣高度,一般為z函式,量級約為10千米。當穩定大氣受到某種擾動,使其上層較輕的空氣被壓向下層較重的空氣中去時,這部分空氣將受到浮力的作用返回其原來水平面。由此可見,密度的分層不均勻性在彈性恢復力之外提供了另一種恢復力──浮力。對於波長H的聲波和高頻段的次聲波來說,這種恢復力實際上不起作用,完全可以忽略。當λH時,由於波動運動的加速度與重力加速度g數量級,就必須在考慮彈性恢復力的同時也考慮浮力,這就是聲重力波的情形。當頻率低到λH時,重力就起主要作用,而彈性恢復力反而可以忽略,也就是說可把媒質看成不可壓縮的,而重力和浮力所作的功之差值作為媒質運動元的勢能儲存起來,這就是內重力波的情形。由於作為恢復力的重力總是指向一個特定方向,所以內重力波是顯著地各向異性的。
重力波的一個重要特性是:能流方向一般說來並不沿著波矢方向,其相速度(小於聲速сS)向下,而群速度向上。這種波大抵是在地面附近由於風的作用被激發,例如風遇到山等障礙物時所產生的“背風波”。其能流向上傳遞直達電離層。由於密度隨高度減小,根據能流的連續性,波的振幅勢必隨高度增加。在60千米以上的高空,風的剖面幾乎完全由這種大振幅、長周期的波動所支配;在低層大氣中,內重力波雖然也存在,但振幅太小,因而無法接受到。
有關在海水中密度分層變化時出現的內波見海洋中的內波

重力波(引力波;相對論)

英文:(gravitational wave),台灣學界稱為重力波,英文中有時也寫作 gravity wave;但更多場合中,gravitywave是留給地球科學與流體力學中另一種性質迥異的波動。關於萬有引力的本質是什麼,牛頓認為是一種即時超距作用,不需要傳遞的“信使”。愛因斯坦則認為是一種跟電磁波一樣的波動,稱為引力波。引力波是時空曲率的擾動以行進波的形式向外傳遞。引力輻射是另外一種稱呼,指的是這些波從星體或星系中輻射出來的現象。電荷被加速時會發出電磁輻射,同樣有質量的物體被加速時就會發出引力輻射,這是廣義相對論的一項重要預言。
雷射干涉重力波觀測台(LIGO)的物理學家正在努力搜尋地球受一星際旅行者擠壓的信號。存在於地球周圍的重力波受到影響時,導致時空結構扭曲,從而使重力波表現出異常的拉伸和擠壓現象。

試驗

實驗一

樸素的台面和擦亮的鏡子懸掛試驗架上,就像試驗台上的一個鐘擺。雖然此鏡子可以透過可見光,但反射的幾乎是干涉儀雷射發出的近100%的紅外光。此干涉儀是包含有雷射的一種儀器,利用紅外線雷射束髮出的光線,能非常精確地測量距離。此雷射束越長,此干涉儀就越靈敏。當特彆強大的重力波經過此干涉儀時,它將會因時空扭曲而稍微改變此儀器的長度。

實驗二

在此真空室中,雷射束分裂器位於此干涉儀2條胳膊的交叉處,即“L”形的拐點上。此工作檯是由一系列鏡子、過濾器和其它光學裝置構成。從這裡看,此紅外線雷射束被輸送到了此系統的每一條胳膊深處。每一束雷射被用來校準同樣的極端精確的回聲。如果一束雷射碰到了任何干涉,另一束雷射就能測量到它。
探測重力波的問題是它們作用地球的效果變化特別小。由遙遠事件產生的強大重力波等到它們到達地球時已經相當微弱了。正因為如此,用於探測重力波的儀器得特別精確和精細。圖片左邊是此干涉儀一條胳膊的一個終端,包含4面主鏡中的一面,和各種各樣的較小鏡子在一起。這些鏡子被用來校準和排列此雷射。此主鏡將雷射束反射回“L”形的拐點上,以進行測量。

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