Многие из нас могут долго любоваться поверхностью моря или реки, по которой перекатываются волны. Рожденные ветром, затем они распространяются за счет силы тяжести. Частицы воды совершают в них движение по круговым и эллиптическим траекториям («вверх — вниз» и «вперед — назад» одновременно), поэтому такие волны нельзя отнести ни к продольным, ни к поперечным. Изучение нелинейных волновых процессов в неоднородных средах занимает важное место в областях океанологии, метеорологии, энергетике, химической и космической технологиях.

Особый интерес для применения общих методов волновой динамики представляют гравитационные волны, определяющие во многом горизонтальный и вертикальный обмен энергией в океане, а также акустические волны, играющие существенную роль в задачах бесконтактного зондирования неоднородных, в частности многофазных сред. Они вызываются мощными потрясениями океана — подводными землетрясениями, взрывами, оползнями и даже метеоритами — и несут в себе информацию об этих событиях по всему миру в течение нескольких минут. Поскольку длинные волны движутся быстрее, чем короткие, то они приходят к берегам раньше коротких на 1-2 дня.

Акустические гравитационные волны — очень длинные звуковые волны, которые пронизывают океан со скоростью звука. Они, как правило, вызываются стихийными бедствиями. Исследователи из Массачусетского технологического института в настоящее время занимаются более распространенным источником акустических гравитационных волн: поверхностными океанскими волнами, такими же, как те, которые можно увидеть с пляжа или палубы катера. Эти волны, известные как поверхностно-гравитационные волны, не распространяются так же быстро, далеко или глубоко, как акустико-гравитационные волны, но при правильных условиях они могут генерировать мощные, быстро движущиеся звуковые волны низкой частоты.

Исследователи разработали общую теорию, которая соединяет гравитационные и акустические волны. Они обнаружили, что когда две поверхностные гравитационные волны движутся в направлении друг к другу, колеблются в близких, но не идентичных частотах, их взаимодействие может высвободить до 95 процентов от их начальной энергии в виде акустической волны, которая, в свою очередь, несет в себе эту энергию и путешествует гораздо быстрее и глубже.

Усама Кадри, приглашенный доцент и исследователь в отделе математики MIT, вывел новое уравнение, которое учитывает гравитацию, сжатие, и в него входят нелинейные члены высшего порядка.

«В линейной теории, две поверхности гравитационных волн, распространяющиеся навстречу друг другу, не чувствуют друг друга; они становятся ближе, переходят друг в друга, а затем расходятся без обмена энергией, как если бы они никогда не встречались», — объясняет Кадри. «Однако, в действительности, картина более сложная, и нелинейные эффекты могут вступить в игру, в результате чего происходит обмен энергией и даже генерация новых волн. Так, в определенных диапазонах частот, гравитационные волны могут производить акустическую волну, которая имеет совершенно другие свойства — и это удивительно «.

Выведенное волновое уравнение позволило Кадри изучить поведение акустических и гравитационных волн. Удивительно, но он подсчитал, что если две поверхностные волны текут навстречу друг другу примерно с одинаковой частотой и амплитудой, то высвобождаемая энергия может быть превращена в звуковую волну, или акустико-гравитационную. Эта энергия может колебаться в зависимости от начальных амплитуд и частот поверхностных гравитационных волн. Даже тогда, когда поверхностные гравитационные волны движутся в виде коротких очередей, они по-прежнему могут передавать более 20 процентов своей энергии на акустико-гравитационные волны, количество, которое нельзя игнорировать.
Кадри говорит, что результаты могут помочь ученым выявить взаимодействие не только между поверхностью и глубинными водами океана, но и с атмосферными силами, которые влияют на поверхностные волны.

Теперь Кадри намерен применить это новое понимание волновых взаимодействий для обнаружения цунами.

Сейчас в сотрудничестве с Вудс-Холским океанографическим институтом он разрабатывает систему для обнаружения акустических гравитационных волн, которые предшествуют цунами, распространяясь в 10 раз быстрее, чем разрушительные волны.

«Сильные морские потрясения, такие как цунами, гигантские волны, ураганы, оползни и даже падения метеорита, — все они могут генерировать акустико-гравитационные волны,» — говорит Кадри. «Мы надеемся, что, используя эту информацию, сможем ускорить оповещение о стихийных бедствиях, в частности цунами, и потенциально спасти жизни.»

По материалам technology