科里奧利效應(Coriolis effect)指的是一種在旋轉(zhuǎn)坐標系中國移動的物體發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。這種效應最早于1835年由法國人古斯塔·加斯佩德·科里奧利用數(shù)學方法來描述,所以氣象學家用他的姓氏命名此種效應。
在北半球,科里奧利效應使風向右偏離其原始的路線;在南半球,這種效應使風向左偏離。風速越快,產(chǎn)生的偏離越大。于是,在北半球,空氣移向低壓中心并向右彎曲,形成了一個逆時針方向的氣旋式氣流。從高壓地區(qū)或從反氣旋移動出來的空氣,也向右彎曲,形成了一個順時針方向的旋風。在南半球,則正好相反。
名詞概述
如果一個物體是靜止的,或者相對于某點作恒速運動,那么,在這個物體上運動是不會出現(xiàn)什么問題的。如果你想從物體一端的A點沿直線走到另一端的B點,在走的過程中不會感到有任何困難。但如果一個物體的不同部分以不同的速度運動,情況就大不一樣了。假定有一個旋轉(zhuǎn)游戲臺或者任何一個繞其中心旋轉(zhuǎn)的平臺,整個平臺的整體在旋轉(zhuǎn),但在中心附近的一點畫出一個小圈,因而在緩慢地運動,而靠近外緣的一點則畫出一個大圈,因而在快速地運動。
假定你站在中心附近的那個點上,想要直接從中心出發(fā)的一條直線上走向靠近外緣的那個點。在中心附近的出發(fā)點上,你取得了該點的速度,緩慢地運動。但是,當你向外走時,慣性效應使你保持緩慢運動,不過,當你越往外走的時候,你腳下的臺面轉(zhuǎn)動得越快:你本身的慢速和臺面的快速的結(jié)合,使你覺得你在被推向與旋轉(zhuǎn)運動相反的那個方向去。如果旋轉(zhuǎn)游戲臺是在逆時針方向轉(zhuǎn)動,你就會發(fā)現(xiàn),當你向外走時,你的路線越來越明顯地順時針方向彎曲。如果你從靠近外緣的一點出發(fā)向內(nèi)行進,你就會保持著出發(fā)點的快速運動,但你腳下的臺面運動得越來越慢。因此,你會覺得自己在旋轉(zhuǎn)方向上被越推越遠。如果旋轉(zhuǎn)游戲臺是逆時針方向運動,那么,你的路線會再次越來越明顯地順時針方向彎曲。
如果你從靠近中心的一點出發(fā),向靠近外緣的一點走去,然后回頭向靠近中心的一點走去,而且沿著阻力最小的路徑前進,你就會發(fā)現(xiàn),你走的路徑大體上是一個圓形。
1835年,法國物理學家古斯塔夫·科里奧利第一次詳細地研究了這一現(xiàn)象,因此這種現(xiàn)象被稱為“科里奧利效應”。也有人把它稱為“科里奧利力”,但它并不真是一種力,只是慣性的結(jié)果而已。
重要意義
在日常生活中,科里奧利效應最重大意義的是同旋轉(zhuǎn)著的地球有關(guān)。地球表面赤道上的一個點,在24小時內(nèi)劃出一個大圓圈,因此它是在快速地運動。如果我們從赤道出發(fā),越向北(或向南)走,那么,地面的一個點在一天之內(nèi)劃出的圓圈就越小,它也運動得就越慢。
從熱帶向北流動的一陣風或一股海流,起初隨著地球的旋轉(zhuǎn),從西向東轉(zhuǎn)動得非??臁.斔虮绷鲃訒r,它保持著它的速度,而地表的運動速度卻越來越小。因此,風或海流就會超過地表,并且越來越向東沿著曲線前進。最后,風或海流就在北半球順時針方向劃一個大圓圈,而在南半球則反時針方向劃一個大圓圈。
正是這種造成曲線運動的科里奧利效應,在極端情況下,就會形成颶風,如果還要更極端的話,就會形成龍卷風。
地球自轉(zhuǎn)偏向力,又叫地轉(zhuǎn)偏向力,是科里奧利效應造成的一種現(xiàn)象。它指的是由于地球沿著其傾斜的主軸自西向東旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的偏向力,使得在北半球所有移動的物體包括氣團等向右偏斜,而南半球的所有移動物體向左偏斜的現(xiàn)象。
生活現(xiàn)象
以下為一些日常生活中的跟科里奧利效應有關(guān)的現(xiàn)象。
1)不自覺地偏右走
我國地處北半球,物體在地面上運動,受地轉(zhuǎn)偏向力作用而自行向右偏轉(zhuǎn),這種現(xiàn)象在日常生活中還從來沒有觀察到。人在走路時,也從來不會不自覺地偏到右邊去。這完全是因為地轉(zhuǎn)偏向力很小,其效應被其他作用力的效應所掩蓋。地轉(zhuǎn)偏向力的效應只有在長時間累積的條件下,才容易察覺。
2)柏爾定律
該定律是自然地理中一條著名的、從實際觀察總結(jié)出來的規(guī)律,即河流靠近赤道一岸比較陡削。這可以由地轉(zhuǎn)偏向力得到說明,河水在地轉(zhuǎn)偏向力作用下,對靠近赤道一岸沖刷甚于另一岸,長期積累的結(jié)果,靠近赤道一岸比較陡峭。
大氣運動的能量來源于太陽輻射,氣壓梯度力是大氣運動的源動力。全球共有赤道低壓帶,南、北半球緯度附近的副熱帶高氣壓帶帶,南、北半球緯度附近的副極地低壓帶,南、北半球的極地高壓帶等七個氣壓帶。氣壓帶之間在氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成了低緯環(huán)流圈、中緯環(huán)流圈和高緯環(huán)流圈。由于受地轉(zhuǎn)偏向力的作用,南北向的氣流卻發(fā)生了東西向的偏轉(zhuǎn)。北半球地面附近自北向南的氣流,有朝西的偏向。在氣壓帶之間形成了六個風帶,即南、北半球的低緯信風帶,南、北半球的中緯西風帶,南、北半球的極地東風帶。
4)氣旋和反氣旋
氣旋與反氣旋是大氣中最常見的運動形式,也是影響天氣變化的重要天氣系統(tǒng)。在氣壓梯度力和地轉(zhuǎn)偏向力的共同作用下,大氣并不是徑直對準低氣壓中心流動,也不是沿輻射方向從高氣壓中心流出。低氣壓的氣流在北半球向右偏轉(zhuǎn)成按順時針方向流動的大旋渦,在南半球向左轉(zhuǎn)成按逆時針方向流動的大旋渦,大氣的這種流動很象江河海流中水的旋渦,所以又叫氣旋。夏秋季節(jié),在我國東南沿海經(jīng)常出現(xiàn)的臺風,就是熱帶氣旋強烈發(fā)展的一種形式。高氣壓的氣流在北半球按順時針方向旋轉(zhuǎn)流出,在南半球按逆時針方向旋轉(zhuǎn)流出,高氣壓的這種環(huán)流系統(tǒng)叫反氣旋。
5)傅科擺
地球的自轉(zhuǎn)對秒擺的運動也會產(chǎn)生影響,單擺的振動平面將沿順時針方向不斷偏轉(zhuǎn)。1851年,傅科在巴黎的教堂用擺長67m,擺球為直徑略大于30cm的鐵球,總質(zhì)量為28kg的單擺驗證了地球的自轉(zhuǎn),單擺振動時所畫出的隨圓長軸等于3m,擺的振動周期為16s,隨圓旋轉(zhuǎn)的周期為32h。在歷史上,傅科以此第一次驗證了地球的自轉(zhuǎn)。
6)復線火車
我國地處北半球,火車在行駛中受地轉(zhuǎn)偏向力作用,因而對右軌壓力大于左軌壓力,普通單軌鐵路上經(jīng)常有相反方向的火車行駛,其左右正好相反,結(jié)果使兩軌磨損差不多相同。由于受火車發(fā)展歷史的影響,調(diào)度員用來指揮火車開、停、允許不允許進站等的行車信號都設(shè)在火車前進方向的左側(cè)路邊,因而復線火車都是靠左行。火車由于受到指向運動右側(cè)的地轉(zhuǎn)偏向力,而使雙線鐵路上靠左走的火車所受的地轉(zhuǎn)偏向力均指向內(nèi)側(cè)。設(shè)一列火車質(zhì)量為2000t,速度為20m/s,列車所在地點的緯度為,地轉(zhuǎn)偏向力的水平分量大小,這只相當于列車自重的萬分之二,僅為列車所受阻力的百分之幾。這樣大小的力,其作用效果只能表現(xiàn)為右軌磨損較甚,而不會使復線上相向而行的兩列火車相撞。
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