淺論大氣旋轉力

劉亞娟

（渭南職業技術學院，陜西 渭南 714000）

地區間冷熱不均引起空氣的垂直運動，同一水平面上的氣壓差異導致大氣的水平運動。地球也在運動，眾所周知，那人在地球上為什么沒有任何感覺呢？物體的下落是怎么產生的呢？

1 大氣和地球是整體運動

大氣也在旋轉，大氣和地球是轉成一體嗎？假設地球表面是均勻一致的，并且沒有地球自轉運動，即空氣的運動既無摩擦力，又無地轉偏向力的作用。那么赤道地區空氣受熱膨脹上升，極地空氣冷卻收縮下沉，赤道上空某一高度的氣壓高于極地上空某一相似高度的氣壓。在水平氣壓梯度力的作用下，赤道高空的空氣極地上空流去，赤道上空氣柱質量減小，使赤道地面氣壓降低而形成低氣壓區，稱為赤道低壓；極地上空有空氣流入，地面氣壓升高而形成高氣壓區，稱為極地高壓。于是在低層就產生了自極地流向赤道的氣流補充了赤道上空流出的空氣質量，這樣就形成了赤道與極地之間一個閉合的大氣環流，事實上地球時刻不停地自轉運動，由于空氣流動時會受到地轉偏向力的作用，是大氣旋轉的作用，是物體隨氣流運動的作用。地球的核心就是大氣的旋轉核心，所以說大氣和地球是整體運動。

2 大氣的運動力

氣壓梯度是一個向量，它垂直于等壓面，由高壓指向低壓，數值等于單位距離內的氣壓差。水平氣壓梯度的單位通常用hPa/赤道度表示（1赤道度等于在赤道上經度相差1度間的距離,約為111km）。水平氣壓梯度很小，一般為1hPa/赤道度-3hPa/赤道度。而垂直氣壓梯度在低層大氣可達1hPa/10m，相當于水平氣壓梯度的十萬倍。但有重力與其平衡，因此，運動的空氣所受的總垂直分力并不大，對空氣產生運動的作用并不如水平氣壓梯度明顯。水平氣壓梯度雖小，卻是推動空氣運動的起始動力，是空氣產生水平運動的直接原因和動力。

空氣在轉動的地球表面按水平氣壓梯度力方向運動的同時，會受到地球自轉偏向力的影響。全球各緯度帶的地轉偏向力數值大小不等，赤道上的地轉偏向力為零，極地的地轉偏向力最大，其他緯度的地轉偏向力介于兩者之間。地轉偏向力的方向在北半球指向物體運動的右方，在南半球指向物體運動的左方。地轉偏向力只在空氣相對于地表有運動時才產生，并且只改變空氣運動的方向，而不改變空氣的運動速率。

大氣運動中受到的摩擦力一般分為內摩擦力和外摩擦力。內摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個空氣層之間產生的一種相互牽制的力，它主要通過湍流交換作用使氣流速度發生改變，也稱湍流摩擦力，其數值很小，往往不予考慮。外摩擦力是空氣貼近下墊面運動時，下墊面對空氣運動的阻力。它的方向與空氣運動方向相反。一般海洋上摩擦力小，陸地上摩擦力大，所以海上風大，陸上風小。摩擦力可減小空氣運動的速度，并引起地轉偏向力相應減小。摩擦力對運動空氣的影響以近地面最為顯著，隨著高度的增加而逐漸減小，到1km-2km高度以上，摩擦力的影響已小到可忽略不計。因此，把此高度以下稱為摩擦層，以上稱為自由大氣。

大氣的運動速度是非常快的，任何物體都要隨氣流運動以上我們把直升飛機當作空中停留物體，因為直升機借助機械力能在空中停留，如果沒有機械力的作用，直升機將是個落體，會像地面下落，直升機在空中借助機械力停留時，沒有飛行的狀況下，每小時能隨氣流運行1679.4公里，可見大氣的運動力是很大的。

3 旋轉向心力

無論你在地球的哪個地方，核心都在你的垂直下方，上方在旋轉的周圍，任何物體進入了大氣的旋轉體內，都會向核心運動，物體從外到內的過程就是人感覺從上到下的現象。物體的下落是怎么產生的呢？

我們做一個試驗：在尼龍繩的一端拴一只小球，另一端穿過圓珠筆桿拴在彈簧稱上，彈簧秤下端固定在桌面上，手握筆桿掄起小球，使之在水平面上做勻速圓周運動，這時小球做圓周運動的向心力可以認為就是尼龍繩的拉力，這個拉力的大小可由彈簧秤讀出。保持轉動半徑不變，加快旋轉小球，使它的角速度增大，彈簧秤的示數也增大，即向心力是隨角速度的增大而增大的；保持角速度不變，增大旋轉半徑，彈簧秤的示數也增大，即向心力是隨軌道半徑的增大而增大的；若保持角速度和旋轉半徑不變，增大球的質量，也會發現，向心力是隨物體質量的增大而增大的。同樣道理，大氣多的旋轉也能使比大氣中的物體向核心運動。

有一物體從旋轉外圍向核心運動，人的感覺這一物體是從上向下墜落。假如這一落體正好落進通向地球另一面的孔里，這一落體會不會從地球的另一面沖出去呢？物體進入核心，旋轉過程中產生的力已經結束。如果物體借慣力繼續運動，已經是向上運動的形式，旋轉中又從相反的方向產生了力，所以物體到了核心就到了終點，不會從另一面沖出去。這就是旋轉過程產生向心力的作用。

4 旋轉離心力

當空氣作圓周曲線運動時還受到慣性離心力的作用。它的方向和空氣運動方向垂直。實際上，空氣運動時受到的慣性離心力一般比較小，往往小于地轉偏向力。慣性離心力和地轉偏向力一樣，只改變空氣運動的方向，不改變空氣運動的速度。

物體的輕重是由密度來確定的，同體積的物體密度大的向心力就大，物體就重，密度小的向心力就小，物體就輕，密度的大小就是向心力的大小。根據這個原理制造了離心分離器：它是分離渾濁液體和固體微粒或分離兩種不同密度混合液體的裝置。把含有固體微粒的渾濁液體裝入試管中，然后把試管放在能夠轉動的支架上，高速旋轉支架，試管就跟著高速旋轉，由于固體微粒密度大，會很快集中在試管底部，這樣就可把固體和溶液分離開來。

伽利略有過這樣一段論述：“把你和一些朋友關在一條大船甲板下的主艙里，再讓你帶上幾只蒼蠅、蝴蝶和其它小飛蟲，艙內放有一只大水碗，其中放幾條小魚。然后掛上一個水瓶，讓水一滴一滴地滴進下面的小口罐子里，船停著不動時，你留心觀察。小蟲等都同等的向艙內各方飛行，魚向各方隨便游動，水滴滴進下面的罐子里。你把任何東西扔給同伴時，只要距離相同，向這一方向不必向另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個方向，跳過的距離都相等。再讓船以任何速度前進，即使船運動的相當快，只要運動是勻速的，你將發現上述現象絲毫沒有變化，你也無法從其中任何一個現象來確定船是在運動還是停著不動。

伽利略的論述闡明了船無論行駛多快，只要是勻速的，船艙里的一切現象和大船不動時是一樣的。其原因是所有物體、人體、大船同速的結果，但最主要的是對船艙密閉，是艙內的空氣和艙內的一切物體、人體隨同大船同速運動的結果。只有空氣的同速才能使艙內的各種現象保持自然狀態。

由此可見：地球大氣的運動非常復雜，地球在轉，那么近地面空氣就必須和地面同速運動。只有地面和空氣同速運動才能使地球上的一切物體保持自然狀態，人在地球上才沒有轉動的感覺。因為地球是旋轉式運動，所以說大氣也在旋轉。大氣的溫度、壓力和密度之間有密切的關系，大氣壓力分布的不均勻會導致大氣的運動，大氣的運動又會引起氣壓場的重新調整。大氣的水平輻合運動和輻散運動會引起大氣在鉛直方向的上升運動和下沉運動，大氣的鉛直運動也會影響大氣的水平運動。大氣通過機械運動、熱運動等多種運動形式進行水平方向和鉛直方向的物質和能量的傳輸和轉換。能使氣球上升，船產生浮力，能使人在地球上自由生存，能使比空氣密度大的各種物體固定在地面上，能使樹上的果子落地，能使空中物體下落，物體產生重量等等，只有大氣的旋轉才能完成的效果。大氣的旋轉是地球運動的動力，也是地球形成的主要因素。只有大氣不停的旋轉，地球才能永恒的存在。

［1］邵長泰.物理：基礎版[M].高等教育出版社，2002（09）.

［2］樓渝英.物理學[M].人民衛生出版社，2010（06）

［3］漆安慎.力學:普通物理學教程[M].高等教育出版社，2000（01）.