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根据漩涡旋转的方向就能分辨南北半球吗?什么是科里奥利效应?

说明:本文60%以上内容来自美国科普作家菲利普.普莱的科普书《这才是天文学》。

相信很多人都曾听过这样一个说法:受到地球自西向东旋转(科里奥利效应)的影响,北半球下水流旋涡总是沿着逆时针旋转,南半球下水流旋涡总是沿着顺时针旋转,因此可以根据水流漩涡的方向判断自己所处的位置是在南半球还是北半球。

在一些科普书、教科书、网页、电影、电视上,我们能看到大量这类信息。

那么,这个说法是对的吗?

一、仅仅根据下水漩涡旋转的方向就能分辨南北半球吗?

2015年,CCTV2有一个节目《是真的吗?》曾对“仅仅根据下水漩涡旋转的方向就能分辨南北半球”这个问题做过求证,节目共有8位网友在8个南北半球城市做了水槽、浴缸下水漩涡旋转方向的实验。北半球城市有中国的北京、美国的哥伦比亚、俄罗斯的海参崴、加拿大的多伦多、意大利的马尔凯,南半球城市有安哥拉的罗安达、澳大利亚的墨尔本以及悉尼。

实验结果如下:

1、北半球城市中的北京、哥伦比亚、海参崴、多伦多下水漩涡逆时针旋转;

2、北半球城市中的多伦多、马尔凯实验中的下水漩涡顺时针旋转;

3、南半球城市中的罗安达、墨尔本下水漩涡顺时针旋转;

4、南半球城市中的悉尼下水漩涡逆时针旋转。

实验结果表明:仅仅根据下水漩涡的方向来判断南北半球是不对的。

而要搞清楚为什么无法通过下水漩涡方向判断南北半球这个问题,首先就需要理解什么是科里奥利效应。

二、什么是科里奥利效应?

为了方便大家的理解,下面我们举个例子对科里奥利效应进行说明:

我们都知道,地球每天都会绕着地轴自转,一天转一圈。想象你在赤道上,地球的自转带着你向东移动,一天之后,你在太空中画了一个大大的圆圈,这个圆圈的半径就是地球的半径。站在赤道上,也就意味着你一天之内经过 了约40000 千米的路程。

现在想象你站在北极点。一天之后, 你在北极点原地转了一 圈,但是实际上你并没有经过任何距离。所谓的北极点,是指地球自转轴与地表相交的那一点, 所以根据这个定义,站在北极点的你是不能像在赤道上一样“画圈”的。你只是在旋转,并没有向东移动。

如果从赤道向北移动,你会发现向东移动的速度减慢了。站在赤道的时候,你向东移动的速度大概是1670千米/小时(≈40000千米/24小时)。在武汉市,北纬30°的地方,你向东移动的速度大约在1446千米/小时(≈1670*cos30°=1446千米/小时),而当你来到北纬40°的北京市,你向东移动的速度则变成1279千米/小时,你继续向北出发,当来到北纬60°的地方,你向东移动的速度则只有835千米/小时。如果你不畏严寒地来到位于北纬70°的地方,你向东移动的速度将更慢,只有571千米/小时。最后,你来到了北极点,完全不向东移动,你只是在原地转着小圈而已。

根据漩涡旋转的方向就能分辨南北半球吗?什么是科里奥利效应?

地球自转一圈的过程中,北纬30°的武汉绕着地轴CD旋转,旋转半径等于dB长度,dB=R*cos30°。

现在让我们假设你在北纬30°的武汉,想象有个人站在你正南方向的赤道上,他手里拿着一个球,向正北方向投掷,也就是直接朝你投掷。在这个棒球向北飞行的过程中,它向东运动的速率相对于地面来说逐渐增加。相对于你来说,这个棒球在到达你的所在地的时候,向东运动的速度差不多为1670 - 1446=214千米/小时。虽然这个棒球是对准你投掷的,但是它的实际落点会和你有好长一段距离!等这个棒球到达你所在的纬度的时候,它会远远地落在你的东边。

这就是为什么炮弹在向南或向北飞的时候会偏离发射方向。炮弹离北炮膛时,有一个向东移动的初始速度。但是如果炮弹是朝北发射的,以地面为参照物,炮弹向东移动的速度比它的发射目标向东移动的速度要快,因此,炮手们在开炮的时候需要瞄准偏西一点的位置。如果要向南开炮的话,也是一样,以地面为参照物,炮弹向东移动的速度要比它的发射目标向东移动的速度慢、所以炮手们开炮的时候,需要瞄准偏东的位置。

以我们上面那个例子来说,因为涉及的距离很远,时间很长,因此科里奥利效应将会体现得很明显。而在现实生活中,科里奥利效应几乎不可察觉。让我们假设你开着一辆汽车以 100千米/时的速度向北行驶。在科里奥利效应的作用下,每秒钟将会偏离正北方向约3毫米。在连续不停开一小时车之后,你一共偏离了正北方向也不过10米。如此微小的变化,你根本不可能注意到。

然而,科里奥利效应还是存在的。虽然几乎难以察觉,但若是经过长距离和长时间的累积,就会变得明显。在合适的情况下,偏移的距离可以说是相当巨大的。

三、台风形成的原因

我们知道在北半球太平洋区域,夏季特别容易形成台风,而台风的形成也和科里奥利效应有关。

夏季,北半球处于夏季,太平洋区域的空气被加热膨胀往上升,空气密度下降,压强减小,于是产生低压区域。在大气层中,一处低气压的区域就好比一个吸尘器,会吸引四周的空气。

让我们来举个简单的例子,我们身处北半球,假设高气压区域的空气被低气压区域虹吸,空气向低压区域流动的方向不是朝着正南,就是朝着正北。相对于前面说到的那个低气压区域来说,从南边过来的空气向东移动的速度要比该区域空气向东移动的速度快,此时空气向东偏移。从北边过来的空气向东移动的速度比该区域空气向东移动的速度慢,此时空气向西偏移。两个方向的空气偏移叠加起来,形成了一个以该低气压区域为心的逆时针方向旋转的漩涡。这个气象系统就被称为气旋系统。

对于南半球来说,这一现象是反过来的。南半球的低气压区域会形成顺时针方向旋转的漩涡,因为从北方来的空气向东运动的速度更快,从南方来的空气向东运动的速度更慢。南半球的空气漩涡方向和北半球相反,这一系统则被称为反气旋系统。

如果这一系统持续的时间足够长,达到几天或者几周,它蕴含的能量能够增至巨量。温暖的海水源源不断地把更多的能量带入系统,让它变得越发强盛。系统中,空气越靠近中心区域就流动得越快,就像花样滑冰运动员收紧胳膊就会旋转得更快一样。如果风能够获得足够的能量,达到每小时100千米甚至以上的速度,飓风就诞生了( 如果是在太平洋区域的话,就是台风)"。

四、为什么下水漩涡的旋转方向与科里奥利效应无关?

正如我们在上文已经说过的,只有在距离足够远、时间足够长的情况下,科里奥利效应才能够累积成一个明显的现象。哪怕是全世界最奢华的浴缸,也要放大数千倍才能够观察到科里奥利效应,正常浴缸里的水很快就会流光,根本没有时间让科里奥利效应呈现。我们可以从数学上证明,你浴缸里的水随机地运动都要比科里奥利效应影响下的运动强度大好几千倍,也就是说,任何随机方向的漩涡都可以轻松地盖过科里奥利效应。如果你浴缸的下水总是朝着一个方向旋转, 那么浴缸的具体形状在其中产生的作用要比地球自转在此处起到的作用多得多。

梦想当物理学家的执着人士已经用家用洗手池做过相关实验了。他们发现,普通的洗手池中的水需要静置超过三周,随机产生的水流才会逐渐消失,使得科里奥利现象被人们所观察到。不仅如此,他们还不得不让洗手池一滴一滴地往外排水,为了让科里奥利效应有足够的时间慢慢积少成多。而你在家里洗手池中洗娇贵衣物时,恐怕看不到科里奥利现象。

对于你家的马桶来说,也是一样的。一想到这事我就觉得好笑:事实上,让水流旋转是马桶专门设计出的功能。这样的设计能够让那些——呃,怎么说呢——不肯被轻易冲走的东西更容易被冲走。抽水马桶里的水在通过管道注入马桶的时候是有一定角度的,所以它总是朝同一个方向冲!如果我把我的马桶从墙上拆下来,抱着它飞到澳大利亚,它的下水方向也不会发生任何变化!

所以,将科里奥利效应曲解为某种可以作用在小范围内的效应是个贻害无穷的谎言。

好了,这一讲就到这了。

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根据漩涡旋转的方向就能分辨南北半球吗?什么是科里奥利效应?

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