[科普中國(guó)]-你了解重力波嗎？

大氣，對(duì)我們?nèi)祟悂?lái)講是既熟悉又陌生的一種東西。說(shuō)他熟悉，因?yàn)樗谖覀兩磉厽o(wú)處不在，我們?nèi)祟惖纳媾c發(fā)展一刻也離不開(kāi)它。說(shuō)他陌生，是因?yàn)榇髿庵杏泻芏嗪芏辔覀兛床坏揭裁恢臇|西，但是卻時(shí)刻影響著我們地球的運(yùn)行以及我們的生活。今天，我們就來(lái)聊一聊大氣中的重力波。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，重力波其實(shí)是一種傳播在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)大氣中的振蕩運(yùn)動(dòng)，受空氣重力和熱壓力共同作用產(chǎn)生回復(fù)力。重力波在全球氣象學(xué)、氣候?qū)W和中間層和平流層動(dòng)力學(xué)中扮演重要角色，它也是中高層大氣最重要的動(dòng)力學(xué)過(guò)程之一。

我們?nèi)庋勰苡^察到的重力波的存在，最為明顯的就是那些像山峰一樣的漂亮云彩。穩(wěn)定存在的云層中，一股上升的氣流突然進(jìn)入會(huì)引起一陣擾動(dòng)，然而由于重力的存在，重力會(huì)作為回復(fù)力去平衡這種擾動(dòng)，由此，就會(huì)形成在垂直方向上的波動(dòng)，也就是重力波。波動(dòng)改變了云層的動(dòng)態(tài)曲線，從而誕生了這一印有重力波擺動(dòng)足跡的云層畫(huà)卷。這種波動(dòng)通常會(huì)在遇到上升氣流或者是雷暴天氣中形成，這也解釋了為什么層巒疊嶂總能出現(xiàn)在重力波云層的映襯下。

大氣中的重力波是怎么產(chǎn)生的呢？其產(chǎn)生的規(guī)律又是怎么樣的？重力波通常存在于氣體的分界面（即密度的躍變面）上，以表面波形式出現(xiàn)：沿表面?zhèn)鞑ザ嘏c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(guò)一個(gè)波長(zhǎng)，由于這一深度依賴于波長(zhǎng)，便導(dǎo)致波的頻散。但在流體深度h遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的“長(zhǎng)波”極限情況下，波壓在整個(gè)截面上近似為均勻的，波就是“非頻散”的了。

大氣重力波的一個(gè)重要特性是：能流方向一般說(shuō)來(lái)并不沿著波矢方向，其相速度（小于聲速）向下，而群速度向上。這種波大抵是在地面附近由于風(fēng)的作用被激發(fā)，例如風(fēng)遇到山等障礙物時(shí)所產(chǎn)生的“背風(fēng)波”。其能流向上傳遞直達(dá)電離層。由于密度隨高度減小，根據(jù)能流的連續(xù)性，波的振幅勢(shì)必隨高度增加。在60千米以上的高空，風(fēng)的剖面幾乎完全由這種大振幅、長(zhǎng)周期的波動(dòng)所支配；在低層大氣中，內(nèi)重力波雖然也存在，但振幅太小，因而無(wú)法接受到。

其實(shí)，重力波不僅僅存在于大氣當(dāng)中，更廣泛地存在于宇宙里面。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論中提出重力波理論，科學(xué)家一直希望解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。據(jù)稱美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)在2016年收到可靠證據(jù)，稱美國(guó)激光干擾重力波觀測(cè)站(LIGO)已成功偵測(cè)到宇宙中的重力波。

愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論提出，物質(zhì)在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，附近曲率會(huì)隨之改變；如果大質(zhì)量物體運(yùn)動(dòng)，例如兩個(gè)黑洞碰撞，所產(chǎn)生的曲率變化會(huì)像波一樣向外傳播，導(dǎo)致時(shí)空壓縮、伸展，此現(xiàn)象為重力波。

LIGO在首都華盛頓及路易斯安那州各裝設(shè)一塊巨型鏡片，再發(fā)射激光，讓光束在兩塊鏡片之間往來(lái)穿梭，再偵測(cè)光束內(nèi)的電訊干擾，推斷其是否屬于重力波。研究指出，即使重力波存在，其能量亦非常微小，傳到地球時(shí)已幾乎消失，加上電訊干擾來(lái)源眾多，要在當(dāng)中找出重力波的蹤影，如大海撈針。

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