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水漩渦順時針旋轉是東半球

生活 更新时间:2024-12-15 09:45:02

說明:本文60%以上内容來自美國科普作家菲利普.普萊的科普書《這才是天文學》。

相信很多人都曾聽過這樣一個說法:受到地球自西向東旋轉(科裡奧利效應)的影響,北半球下水流旋渦總是沿着逆時針旋轉,南半球下水流旋渦總是沿着順時針旋轉,因此可以根據水流漩渦的方向判斷自己所處的位置是在南半球還是北半球。

在一些科普書、教科書、網頁、電影、電視上,我們能看到大量這類信息。

那麼,這個說法是對的嗎?

一、僅僅根據下水漩渦旋轉的方向就能分辨南北半球嗎?

2015年,CCTV2有一個節目《是真的嗎?》曾對“僅僅根據下水漩渦旋轉的方向就能分辨南北半球”這個問題做過求證,節目共有8位網友在8個南北半球城市做了水槽、浴缸下水漩渦旋轉方向的實驗。北半球城市有中國的北京、美國的哥倫比亞、俄羅斯的海參崴、加拿大的多倫多、意大利的馬爾凱,南半球城市有安哥拉的羅安達、澳大利亞的墨爾本以及悉尼。

實驗結果如下:

1、北半球城市中的北京、哥倫比亞、海參崴、多倫多下水漩渦逆時針旋轉;

2、北半球城市中的多倫多、馬爾凱實驗中的下水漩渦順時針旋轉;

3、南半球城市中的羅安達、墨爾本下水漩渦順時針旋轉;

4、南半球城市中的悉尼下水漩渦逆時針旋轉。

實驗結果表明:僅僅根據下水漩渦的方向來判斷南北半球是不對的。

而要搞清楚為什麼無法通過下水漩渦方向判斷南北半球這個問題,首先就需要理解什麼是科裡奧利效應。

二、什麼是科裡奧利效應?

為了方便大家的理解,下面我們舉個例子對科裡奧利效應進行說明:

我們都知道,地球每天都會繞着地軸自轉,一天轉一圈。想象你在赤道上,地球的自轉帶着你向東移動,一天之後,你在太空中畫了一個大大的圓圈,這個圓圈的半徑就是地球的半徑。站在赤道上,也就意味着你一天之内經過 了約40000 千米的路程。

現在想象你站在北極點。一天之後, 你在北極點原地轉了一 圈,但是實際上你并沒有經過任何距離。所謂的北極點,是指地球自轉軸與地表相交的那一點, 所以根據這個定義,站在北極點的你是不能像在赤道上一樣“畫圈”的。你隻是在旋轉,并沒有向東移動。

如果從赤道向北移動,你會發現向東移動的速度減慢了。站在赤道的時候,你向東移動的速度大概是1670千米/小時(≈40000千米/24小時)。在武漢市,北緯30°的地方,你向東移動的速度大約在1446千米/小時(≈1670*cos30°=1446千米/小時),而當你來到北緯40°的北京市,你向東移動的速度則變成1279千米/小時,你繼續向北出發,當來到北緯60°的地方,你向東移動的速度則隻有835千米/小時。如果你不畏嚴寒地來到位于北緯70°的地方,你向東移動的速度将更慢,隻有571千米/小時。最後,你來到了北極點,完全不向東移動,你隻是在原地轉着小圈而已。

水漩渦順時針旋轉是東半球(根據漩渦旋轉的方向就能分辨南北半球嗎)1

地球自轉一圈的過程中,北緯30°的武漢繞着地軸CD旋轉,旋轉半徑等于dB長度,dB=R*cos30°。

現在讓我們假設你在北緯30°的武漢,想象有個人站在你正南方向的赤道上,他手裡拿着一個球,向正北方向投擲,也就是直接朝你投擲。在這個棒球向北飛行的過程中,它向東運動的速率相對于地面來說逐漸增加。相對于你來說,這個棒球在到達你的所在地的時候,向東運動的速度差不多為1670 - 1446=214千米/小時。雖然這個棒球是對準你投擲的,但是它的實際落點會和你有好長一段距離!等這個棒球到達你所在的緯度的時候,它會遠遠地落在你的東邊。

這就是為什麼炮彈在向南或向北飛的時候會偏離發射方向。炮彈離北炮膛時,有一個向東移動的初始速度。但是如果炮彈是朝北發射的,以地面為參照物,炮彈向東移動的速度比它的發射目标向東移動的速度要快,因此,炮手們在開炮的時候需要瞄準偏西一點的位置。如果要向南開炮的話,也是一樣,以地面為參照物,炮彈向東移動的速度要比它的發射目标向東移動的速度慢、所以炮手們開炮的時候,需要瞄準偏東的位置。

以我們上面那個例子來說,因為涉及的距離很遠,時間很長,因此科裡奧利效應将會體現得很明顯。而在現實生活中,科裡奧利效應幾乎不可察覺。讓我們假設你開着一輛汽車以 100千米/時的速度向北行駛。在科裡奧利效應的作用下,每秒鐘将會偏離正北方向約3毫米。在連續不停開一小時車之後,你一共偏離了正北方向也不過10米。如此微小的變化,你根本不可能注意到。

然而,科裡奧利效應還是存在的。雖然幾乎難以察覺,但若是經過長距離和長時間的累積,就會變得明顯。在合适的情況下,偏移的距離可以說是相當巨大的。

三、台風形成的原因

我們知道在北半球太平洋區域,夏季特别容易形成台風,而台風的形成也和科裡奧利效應有關。

夏季,北半球處于夏季,太平洋區域的空氣被加熱膨脹往上升,空氣密度下降,壓強減小,于是産生低壓區域。在大氣層中,一處低氣壓的區域就好比一個吸塵器,會吸引四周的空氣。

讓我們來舉個簡單的例子,我們身處北半球,假設高氣壓區域的空氣被低氣壓區域虹吸,空氣向低壓區域流動的方向不是朝着正南,就是朝着正北。相對于前面說到的那個低氣壓區域來說,從南邊過來的空氣向東移動的速度要比該區域空氣向東移動的速度快,此時空氣向東偏移。從北邊過來的空氣向東移動的速度比該區域空氣向東移動的速度慢,此時空氣向西偏移。兩個方向的空氣偏移疊加起來,形成了一個以該低氣壓區域為心的逆時針方向旋轉的漩渦。這個氣象系統就被稱為氣旋系統。

對于南半球來說,這一現象是反過來的。南半球的低氣壓區域會形成順時針方向旋轉的漩渦,因為從北方來的空氣向東運動的速度更快,從南方來的空氣向東運動的速度更慢。南半球的空氣漩渦方向和北半球相反,這一系統則被稱為反氣旋系統。

如果這一系統持續的時間足夠長,達到幾天或者幾周,它蘊含的能量能夠增至巨量。溫暖的海水源源不斷地把更多的能量帶入系統,讓它變得越發強盛。系統中,空氣越靠近中心區域就流動得越快,就像花樣滑冰運動員收緊胳膊就會旋轉得更快一樣。如果風能夠獲得足夠的能量,達到每小時100千米甚至以上的速度,飓風就誕生了( 如果是在太平洋區域的話,就是台風)"。

四、為什麼下水漩渦的旋轉方向與科裡奧利效應無關?

正如我們在上文已經說過的,隻有在距離足夠遠、時間足夠長的情況下,科裡奧利效應才能夠累積成一個明顯的現象。哪怕是全世界最奢華的浴缸,也要放大數千倍才能夠觀察到科裡奧利效應,正常浴缸裡的水很快就會流光,根本沒有時間讓科裡奧利效應呈現。我們可以從數學上證明,你浴缸裡的水随機地運動都要比科裡奧利效應影響下的運動強度大好幾千倍,也就是說,任何随機方向的漩渦都可以輕松地蓋過科裡奧利效應。如果你浴缸的下水總是朝着一個方向旋轉, 那麼浴缸的具體形狀在其中産生的作用要比地球自轉在此處起到的作用多得多。

夢想當物理學家的執着人士已經用家用洗手池做過相關實驗了。他們發現,普通的洗手池中的水需要靜置超過三周,随機産生的水流才會逐漸消失,使得科裡奧利現象被人們所觀察到。不僅如此,他們還不得不讓洗手池一滴一滴地往外排水,為了讓科裡奧利效應有足夠的時間慢慢積少成多。而你在家裡洗手池中洗嬌貴衣物時,恐怕看不到科裡奧利現象。

對于你家的馬桶來說,也是一樣的。一想到這事我就覺得好笑:事實上,讓水流旋轉是馬桶專門設計出的功能。這樣的設計能夠讓那些——呃,怎麼說呢——不肯被輕易沖走的東西更容易被沖走。抽水馬桶裡的水在通過管道注入馬桶的時候是有一定角度的,所以它總是朝同一個方向沖!如果我把我的馬桶從牆上拆下來,抱着它飛到澳大利亞,它的下水方向也不會發生任何變化!

所以,将科裡奧利效應曲解為某種可以作用在小範圍内的效應是個贻害無窮的謊言。

好了,這一講就到這了。

我是一個緻力于科普數學、物理的科技媒體。想了解更多相關的知識,歡迎關注我的微信公衆号科學發現之曆程,期待你的到來。

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