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（例如大氣與海洋間）的一種波，其恢復力來自於重力或浮力。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或表面波。

基本介紹

• 中文名：重力波
• 外文名：gravity wave / gravitational wave
• 含義一：指“引力波”（相對論）
• 含義二：指“重力波”（流體力學）
• 意義：研究地震與海嘯的形成原因
• 套用學科：大氣學、天體物理學

流體力學

不可壓縮流體中一種以重力為恢復力的波。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：▽²=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的函式，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λ≈H時，由於波動運動的加速度與重力加速度g同數量級，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。

內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。

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。

現在，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中雷射發出的近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。

參考書目

Л.Д.朗道、Ε.М.栗弗席茲著，彭旭麟譯：《連續介質力學》，第2冊，高等教育出版社，北京，1960。

J. Lighthill,Waves in Fluids,Cambridge Univ. Press,Cambridge,1978.

E.E.Gossard and W.H.Hooke,Waυes in the Atmosphere,Elsevier,Amsterdam,1975