Марсианская атмосфера «волнуется»
Внутренние гравитационные волны (ВГВ, английский термин gravity waves) проявляются в атмосфере или жидкой среде в виде колебаний её плотности, температуры или давления. Такие колебания обусловлены нарушением равновесия в атмосферном столбе между силами тяжести и Архимеда для некоторого объема воздуха. Их следует отличать от астрофизических гравитационных волн, по-английски gravitational waves, которые являются колебаниями самого пространства-времени.
Привычные нам волны на поверхности воды также являются внутренними гравитационными волнами, поскольку возникают на границе воды и воздуха, имеющих разную плотность. Поэтому другое название таких волн — волны плавучести. В толще воды они образуются, если ее разные слои обладают, например, разной соленостью и потому разной плотностью. В столбе атмосферы плотность тоже разная — она, как и давление, меняется с высотой по известному барометрическому закону — уменьшается с ростом высоты по экспоненте.
Гравитационные волны возбуждаются в результате различных процессов: например, при обтекании гор воздушным потоком, ветром, либо в ходе конвекции, то есть переноса теплого объема воздуха вверх, а холодного вниз. Образованная волна далее поднимается в менее плотные слои атмосферы, где её амплитуда растет. На определенной высоте, когда воздух становится очень разреженным, волна рассеивается (диссипирует), передавая запасенные импульс и энергию окружающей атмосфере, ускоряя или замедляя «соседние» воздушные течения. Аналогичную диссипацию мы также можем наблюдать при обрушении волн на поверхности воды. В атмосфере же гравитационные волны можно увидеть по «ребристой» структуре облаков: в этих местах колебания температуры вызывают чередующиеся слои с конденсацией водяного пара или, наоборот, испарением капель, из-за чего мы наблюдаем «рёбра».
Характерный масштаб ВГВ, длина волны, в атмосферах планет земной группы составляет около 200–400 км по горизонтали и от 5 до 40 км по вертикали. При этом амплитуда колебаний температуры достигает 10–20 градусов.
Гравитационные волны играют очень большую роль в динамике атмосферы, так как они очень эффективно переносят энергию и вещество из нижних слоев атмосферы в верхние, где обычно вещества и энергии намного больше, чем наверху. Поэтому такой перенос может кардинально изменить структуру верхней атмосферы и ее свойства даже на глобальном масштабе, хотя сами эти волны могут показаться какой-то мелкой рябью.
Изучать внутренние гравитационные волны на других планетах: Венере и Марсе, а также планетах-гигантах — необходимо, чтобы лучше понимать механизм их атмосферной циркуляции.
На практике ВГВ выявляют по измерениям плотности и температуры разных слоев атмосферы. Это делают дистанционно с орбиты, анализируя атмосферные спектры в тех интервалах, где измеряемое излучение эффективно поглощается газами, например, углекислым газом СО2 на Марсе и Венере. Применяют также и контактные (in situ) методы, когда аппарат сам погружается в атмосферную среду во время спуска или аэроторможения. В этом случае плотность измеряется либо масс-спектрометром на борту, либо по изменению скорости зонда при аэроторможении. До недавнего времени статистика этих данных для Марса была нерегулярной и ограничивалась либо наблюдениями верхней атмосферы, либо наблюдениями нижней с довольно низким разрешением по высоте.