柯氏效应的案例

如题所述

第1个回答  2016-06-02

地球是个自转的坐标系,它一天自转一周。理论上,地球上面无论什么东西,只要有相对于地面的运动,就会受到柯氏效应的影响。譬如我们以每小时6公里的速度走路,每走1公里就会向右偏22公尺。再如我们以每小时20公里的速度骑着脚踏车依照想象的直线前进,每行1公里就会向右偏7公尺(这两个例子,都是以北纬30°为参考点)。当然事实上我们不会感觉到这种偏折的倾向,因为我们生来就有一种随时矫正方向的本能。不过据说迷路的极区探险者有一种在原地打圈圈的强烈趋势,而且在北极是向右打圈圈,在南极则向左打圈圈。这很可能就是柯氏效应在作怪,因为极区的柯氏效应比我们这儿大了146%之多。
让我们再看看一些无生命的东西在飞行时会受到多少影响。拿200公尺打靶来说,假设子弹的初速为每秒250公尺,当它到达靶标时,会向右偏6毫米。这个偏差当然微不足道。可是长程炮的射击,就得对柯氏效应留点心了。譬如某战舰瞄准32公里(8英吋加农炮的射程)外的一座桥梁,它打出去的炮弹将完全错过目标,因为柯氏效应就会使炮弹偏离目标达60公尺。再拿第一次世界大战时,德国一座射程达112公里的大炮为例,炮弹由炮口出来就得花三分钟才到达目标,柯氏效应造成的偏差更是大得惊人,竟达1.6公里!
更长程的国际航线飞行,柯氏效应的问题就更严重了。例如自北极朝纽约飞行的飞机,假设飞行时速是960公里,如果中途不随时修正方向,当它降陆时将会发现是在芝加哥附近,两地相距达1200公里!
大气运动会受什么样的影响
在所有受柯氏效应影响的现象当中,大气运动大概是最有趣而且最复杂的了。
我们都知道空气的流动就成风。可是什么能使空气流动呢?举个最简单的例子:一个吹胀的气球,球内气压比外边高,当我们把气球的口打开时,空气就会从里面跑出来而造成风。因此有气压差存在时,风就会从高压区吹向低压区(如果没有柯氏效应的话)。可是在一个旋转系统里面,情形就不一样了。
让我们想象一团空气自高气压区流向低气压区(为了简单起见,假设这一团空气在移动的过程中不会与周围的空气相混合)。但是当它移动时,因受柯氏效应的影响而向右偏折(见图八)。开始的时候,由于空气的移动速度慢,柯氏力小(如上面所说的,柯氏力的大小与速度成正比),而且与压力梯度力(由于压力差引发的力由高压区指向低压区)不同在一直在线,二者无法平衡,于是空气团继续向低压区加速,而柯氏力也使它继续向右偏折。一直到运动方向与等压线(沿着这些线的各处气压都相同)平行时,柯氏力指向高压区,正好与指向低压区的压力梯度力相平衡。此时空气团不再向低压区加速,而沿着等压线运动。因此对于大尺度的大气运动,风通常是沿着等压线吹的,而不是由高压区直接吹向低压区的。这种平衡状态,气象学家称之为地转风平衡。
不过,以上的叙述是基于没有摩擦力影响的假设。但在靠近地面的地方,因为有许多障碍物(如树、草、房子等),摩擦力是很重要的。那么有摩擦力的影响之下,平衡状态会受到怎样的改变呢?
我们现在在图八的例子里加上摩擦力(见图九),摩擦力永远是指向和运动速度相反的方向。现在我们有了三种力,要使它们达成平衡必须三种力都指向不同的方向,而且彼此的夹角必然大于90°,于是成了图九那种安排法。柯氏力在平衡状态时不再与等压线成直交。但柯氏力和运动方向垂直,所以运动方向不再平行于等压线,而是略有跨越等压线的分量。(按:摩擦力在靠近地面的地方才显得重要。)
这个跨越等压线的分量对于像图九那样的气压系统,除了使高压区与低压区的空气有混合的作用外,似乎并没有什么重要性。可是对于封闭的低气压系统或高气压系统,这种跨越等压线的行为就相当重要了。在没有柯氏效应的情形下,风会从四面八方吹向低气压中心。但在柯氏效应的影响之下,风主要是绕着低气压中心打转儿(地转风平衡,注一)。在靠近地面的地方,摩擦力的效应使风有吹向低气压中心的分量──亦即风一面绕着低气压中心打转儿,一面吹向中心
向中心辐合的空气到了中心无处可去,只有向上移动,因此就像有个帮浦把空气自低处抽到高处去一样。高处的气压较低,上升的空气体积会膨胀,温度会下降,所含的水汽比较容易凝结成云。因此,低气压上空经常有螺旋形的云笼罩,天气较坏(注二)。高气压中心的情形刚好相反,风一面绕着中心打转儿,一面向四面吹出去。靠近地面的地方因为中心的空气流出去,只有上空的空气来补充。下降的空气受到挤压,体积缩小,温度升高,云气被蒸发,因此高气压中心的上空通常是晴朗。
台风是一个很强烈的低气压中心,空气的运动情形很像图十那样,只是要强烈得多。对于台风来说,上面所提到的把低处空气自中心处向上「抽」的现象有两层非常重要的作用。台风诞生并生存于温暖的海面,那儿水汽的供应很充分。这种抽的作用把低处的水汽抽了上去,一方面上升的水汽凝结成云和雨水,放出潜热,供应台风运动的能量。一方面把水汽带走,使得海面水汽的蒸发更容易,而达到源源供应台风能量的目的。因此台风发展、维持或衰败要看能量供应的大小和能量消耗的快慢而定,这些都和这种「抽」的作用有关。而抽的作用就是由跨越等压线的风造成的。
不过话又说回来。如果没有柯氏效应,风直接自高气压吹向低气压,两者的空气很容易混合,而减弱或破坏气压梯度力,因此风不会太强烈。而柯氏效应使得风主要平行于等压线吹,阻止了空气直线的混合,才会有那么强烈的天气现象,真是亦功亦过。
是不是所有的大气运动都受到柯氏效应的控制呢?并不尽然。由前面的圆盘实验我们已经知道,柯氏效应的影响程度要看运动物体的速度、运动的尺度(范围)以及坐标系统旋转的快慢而定。大气的运动也是一样。气象学家用所谓罗士培数(Rossby number──纪念瑞典学者罗士培对气象学与海洋学所作的卓越贡献。请参阅本期罗士培小传一文)做为衡量标准。罗士培数就是地球自转的特性时间与运动的特性时间之比。如果Ω表示单位时间地球自转的频率,则其倒数代表自转的特性时间。又假设运动的速度用U代表,运动的尺度用L代表,则运动的特性时间为L/U(即物体以U的速度走完L的距离所需要的时间)。因此罗士培数可以表示成:
1/Ω÷L/U=U/(ΩL)
我们前面已经说过,运动物体的速度越大,柯氏效应越小;地球自转越慢,柯氏效应也越小;运动的尺度越小,柯氏效应越小。这些结果都指向同一结论:罗士培数越大,柯氏效应越小。反之,罗士培数越小,柯氏效应越大。通常当罗士培数小于1时,我们说柯氏效应是很重要的;而当它大于1时,柯氏效应就不重要了。例如大气中的气旋,其水平尺度约为10公尺,风速约为每秒10公尺,则罗士培数约为0.1,因此柯氏效应是很重要的。
注一:圆周运动还会导至离心力的发生,此时应该是气压梯度力、离心力及柯氏力互相平衡,这叫梯度风。不过原理和地转风相似。为了避免引起不必要的复杂性,我这儿仍引用地转风的观念。
注二:因为低气压的风系是顺着反时钟方向旋转,故又称气旋。不过实际上的气旋比这儿描述的要复杂得多。

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