地球一直在自转,上空的物质也会随着地球一起转动吗?
这是一个看似简单,实际有点难的问题。
以前看过有人问:半空悬停的直升机,为什么还会随地球一起自转呢?为什么不能坐地日行八万里呢?
或者问:为什么天上的云会和地球一起动呢?而不是一直向西飞?它明明在空中不与地球接触呀?
也许你会说,这是因为大气和我们一起自转呀,所以才风轻云静,直升机也是被大气一起带着自转呢。这道题上过初中的都能回答出来。
那我们再深挖一层:为什么作为气体的大气会和地球一起自转?
答案是:大气的磨擦。
(为了讨论简单化,我们先不考虑地球自转偏向力和惯性离心力,尽量不写公式)
我们先假设地球原先没有大气层,然后突然有一天,大气层biu~的一下凭空产生了,而且大气一开始还不随地球自转而转动。这意味着啥?看过我之前有一篇讲地球停转的回答的同学应该记得,对,我们将遇到超级无敌核暴级的强风。
这股风将迅速摧毁人类文明,但它最终会减速到零,或者说,从地球以外的幸存观察者的角度来看,大气会整体加速到与地球自转同步。这主要是由于粗糙的地球表面和山脉与大气接触面相对运动产生磨擦力,从而阻碍大气运动造成的。
等等,大气又不是固体,底层大气因磨擦加速可以理解,为什么连高空的气体也会被加速呢?或者说,越高的大气是不是移动速度越慢?
事实是,随着高度的增加,摩擦力的作用肯定会减弱。而大气也是分层的。近地面层(30~50m)最为显著,而到了距地面1~2公里以上的高度时,地球表面带来的摩擦力作用很小,可忽略不计。所以此高度以下的气层称为摩擦层(或者叫行星边界层),此层以上称为自由大气层。而行星边界层又分为紧贴地表的片流副层(高度约到人的头部)、近地面层(高度几十米,和高楼相当)和埃克曼层。其中的片流副层在城市中通常不存在,一般认为边界层的下层即为近地面层。
而气层与气层之间,也会因为速度不同导致相互摩擦(湍流交换作用)而有减弱相对运动的趋势,或者说,大气是有黏性的。(实际上的受力相当复杂,科氏力、气压梯度力、turbulent drag等都会让分析秃头化)。说到科氏力,多说一句,正是因为自转的地球对大气层的摩擦,所以才会有所谓的“地转风”。在北半球,背风而立,则高压在右,低压在左。而在南半球,背风而立,则高压在左,低压在右(白贝罗风压定律)。
(不能再写了,再写就写不完了,大气动力学能上一学期。。)
总结一下,地球大气层是地球的一部分,因为与地面摩擦以及空气黏度,导致大气层会随着地球旋转,从而让大气中的物体也有了随地球一同旋转的趋势。
大气层其实很薄
然而,上面这套说法并不能解释为什么海拔200-300公里的高层大气平均比地球快1.3倍,白天由西向东,晚上由东向西。在地磁扰动时速度增加,偶尔记录到的数值高达1000米/秒。这种现象在金星上也有被观测到。
奇怪的金星大气
有人对金星大气感兴趣,我就偏点题,多写一段。金星是有大气的,而且风相对来说也很大。有多大呢?我们地球上风速平时也就10几米每秒(6级),超强台风五六十米每秒,最高风速出现在1934年4月美国华盛顿市的每秒103.2米的风速,而我国海南琼海县1973年4月那次每秒73到81米的台风已经能排前十了,但这只有地球自转速度的10%-20%。而金星的常规最大风速也差不多高达每秒100米,虽然看上去和地球差不多,但这却是金星自转速度的60倍。也就是说,金星要243个地球日才能完成一次自转,而大气每96小时就绕着金星旋转一次。这种现象被称为超级旋转。
对于超级自转的原因,目前主流科学家比较认同的一个观点是认为这是由太阳辐射驱动的热潮汐、行星波和大气湍流共同维持的。因为金星旋转较慢,所以朝太阳的一面很热,而背阴面相对较冷。金星大气通过热潮汐接收角动量,热潮汐通过大气的高速旋转将向阳面的热量快速传递到背阴面,可以平衡白天和夜晚的温差,就有点像空调的意思。(实际循环很复杂,这里略了)。
这种超级旋转现象不是金星独有的,土星最大的卫星土卫六也是如此。理论上这种循环系统在那些潮汐锁定的有大气的系外行星上应该也很常见。
大气对地球自转的影响
地球自转是固体地球(包括海洋)与大气在维持总角动量守恒的条件下相互作用的过程,它们共同构成了复杂的地球动力学系统。
我们听天气预报的时候,经常会听到一个词:“副热带高压”。它是由于太阳辐射和地球自转产生的地转偏向力、从而在南北半球副热带地区形成的若干个高压带。它是比较稳定的存在,冬天缩小,夏天变大。
通过对北京天文台1951~1995年间地球自转相对速率与大气环流特征量对比后发现, 地球自转速率与当年大西洋副高、 北美大西洋副高的面积指数、 强度指数、 脊线及北界位置均有很好的正相关关系。什么意思?就是说,当地球自转加快时,北半球大气将受附加离心力(具体分析就不写了,两力的方向是向高纬和向地心的合力)使大气向北移动,同时伴随下沉运动,导致副热带高压加强。地球自转减慢时,副高减弱。大气相对于地球的运动会产生大气相对角动量,它的变化可以激发地球自转的变化。反过来,地球自转提供的附加离心力使得大气产生南北或垂直向的运动,从而改变整个大气环流场。
通俗地讲,就是地球自转能够影响大气的运动。或者反过来说,从长期来看(以千年为单位),地球大气粘滞性对地球自转有减速作用。
不仅如此,大气与地球的相对角动量还会加剧钱德勒摆动(地球自转轴经常性的小幅移位,就像洗衣机失去平衡)。比如厄尔尼诺现象发生时,由于强风的作用,地球的自转可能会稍微减慢,使一天的长度增加了千分之一秒(或者反过来说,地球自转速率减慢可能是厄尔尼诺形成的原因)。这是因为按“角动量守恒定律”,地球自转和大气自转的微小变化是联系在一起的。地球在太空中旋转,当在离地球自转轴一定距离处(特别是山区)有一个附加力出现时(例如地表风的变化或高低压分布改变),它就有可能改变地球自转的速率,甚至改变自转轴的方向,同时也会反过来影响大气运动。
但固体地球和大气层构成的统一的系统角动量保持不变。因此,如果大气加速(较强的西风),那么固体地球必须减速(日长增加)。此外,如果更多的大气移动到较低的纬度(离自转轴更远),大气压增加,它也会获得角动量,地球也会减速。(以上忽略太阳辐射的影响)
所以说,大气运动和地球自转,两者是密不可分的。
惯性
很多人在评论区留言问“惯性”的问题。
对于旋转的、始终受重力影响的大气来说,说“惯性”不如说是“转动惯量”,也就是保持旋转能力的大小。
如果把大气想象成一个圆陀螺,理论上,如果没有外力影响(包括太阳、地球摩擦、视为刚体-虽然它根本不是),它将永远转下去。
事实上,旋转运动中的“转动惯量”,更接近于直线运动中的物体“质量”。转动惯量越大,你理解的“惯性”就越大,停下来就越困难。所以如果你认为大气是靠“惯性”一直旋转的,嗯,也可以这么理解吧。
在大气的旋转中,重力充当了提供改变旋转速度方向的功能,地球自转时,重力对大气的运动方向改变的程度来说很强大。所以重力并不是让大气旋转起来的原因,却是维持大气绕地球旋转的条件。如果没有了地球引力(重力),旋转的大气将立即四散开来。
有什么我没讲清楚的,请留言吧。
大家都在看
-
## 浩瀚宇宙,我们能知道多少?一场幽默的宇宙探索之旅 朋友们!你们有没有想过,我们生活的这个宇宙到底有多大?是不是觉得自己的脑袋都快想破了?别急,今天我们就来一场幽默的宇宙探索之旅,看看在这浩瀚的宇宙中,我们到底能知道多少。首先,让我们来聊聊宇宙的起源。 ... 宇宙探索12-22
-
宇宙的无尽旅程:你敢想象尽头在何方吗? ## 描述你是否曾想过,宇宙的边界到底在哪里?是无尽的星辰还是某个神秘的终点?今天,我们就来聊聊这个迷人的话题,带你一起探寻宇宙的尽头!---你有没有想过,浩瀚的宇宙,有没有一个尽头?这是一个古老而又激动人 ... 宇宙探索12-22
-
虚拟现实与宇宙探索:人工智能打造的沉浸式星际之旅 在科技飞速发展的时代,虚拟现实和人工智能携手为人类开启了一扇通向宇宙深处的奇幻之门,打造出前所未有的沉浸式星际之旅。虚拟现实技术让我们得以身临其境地感受宇宙的浩瀚与神秘。以往,我们只能通过书籍、图片和 ... 宇宙探索12-22
-
宇宙探索:奇异的星系怪物 大伙儿有没有想过,咱们平常抬头看看天上的星星,那可都是宇宙中的"明星"啊!今儿个我跟大家聊聊那些在宇宙中长得奇奇怪怪的星系,说出来你可能不信,有的像两只老鼠咬耳朵,有的活脱脱一个大海星,还有的就跟个大 ... 宇宙探索12-22
-
天文观测的艺术:如何用望远镜探索宇宙 在浩瀚无垠的宇宙中,星星如同无数的故事,等待着我们去探索和解读。天文观测不仅是科学研究的基础,更是一门艺术,它将人类的好奇心与宇宙的奥秘结合在一起。通过望远镜,我们能够揭开宇宙的神秘面纱,探索遥远星系 ... 宇宙探索12-21
-
宇宙究竟存不存在尽头呢?如果有尽头之外又有什么呢? 随着人类科学技术水平的不断提高,人类对宇宙的认识也在不断深入。在人类一步步靠近宇宙的时候,却发现每走一步都会产生无数的疑问,世间万物都有它的尽头,所以人们猜想宇宙也有自己的尽头。然而,人类渺小得如同井 ... 宇宙探索12-21
-
探索宇宙的起源与终结 宇宙的起源大爆炸理论:宇宙大爆炸理论是目前科学界广泛接受的宇宙起源理论。该理论认为,宇宙起源于一个极其高温、高密度的奇点,这个奇点发生了剧烈的爆炸,从而产生了宇宙。大爆炸的瞬间,时间和空间被同时启动, ... 宇宙探索12-21
-
为什么人类要不停地探索外太空? 或许从古猿仰望星空的那一刻开始,人类就对那遥远的宇宙产生了天然的探索欲。无论是艺术创作、影视作品或是航天科技的发展,自古以来,我们对于宇宙的向往与想象从未停止过……但,人类为什么要不停地探索外太空呢? ... 宇宙探索12-21
-
宇宙五大未解谜团:每一个答案都可能改变世界 人类是地球上已知的唯一拥有高级智慧的物种,凭借着这一独特的优势,人类短短数百万年的时间,就演化出了如今的现代文明。站在了地球食物链的顶端。然而高级智慧带来科技发达的同时,也给我们带来了其他物种没有的困 ... 宇宙探索12-20
-
宇宙探索新成果:月球形成时间确定为45.1亿年 月球45.1亿年前形成的理论是通过多种证据和分析综合得出的。首先,科学界普遍认为月球是在早期地球与一个火星大小的原行星相撞后形成的,这次撞击被称为“大碰撞事件”。该事件发生时间的估算,是基于对月球岩石样品 ... 宇宙探索12-20
相关文章
- 宇宙探索新成果:月球形成时间确定为45.1亿年
- 【探索宇宙】2024年中国航天新亮点!卫星互联网建造拉开大幕→
- 人类最接近外星生命的一次!木卫二冰层下的地下海洋可能存...
- 9小时出舱活动刷新中国和世界纪录,航天员如何在太空中生存?
- 美国宇航局 宇宙新发现:“花环” 恒星圈与 “圣诞树簇” 的奥秘探索
- 那为什么太空是黑的呢?太阳却照亮地球
- 穿越星际的冒险:探索宇宙机器人游戏的无限可能
- 红外空间天文台:宇宙探索的璀璨明珠
- 探索宇宙奥秘,地下700米的国之大器进入最后关键节点
- 飞船到达240亿公里深空,发现一个残酷现实,人类被困在太阳系?
- 探索多维宇宙:超越时空的奇妙之旅 #平行
- 探索宇宙的奥秘:黑洞与引力波--天文学的两大奇迹
- 震惊!宇宙万亿星系探索,人类或成唯一智慧生命
- 廖渊:以水墨探索时间与宇宙
- 中国航天:勇攀高峰,探索宇宙奧秘
- 小愿望·大梦想
- 易经最终的目的:探索宇宙真理与人生智慧
- 探索宇宙奥秘,牛顿的思考启迪未来!🚀🌌
- 科学梦想还是资源浪费?杨振宁与王贻芳如何看待对撞机计划
- 宇宙深处的人工智能生命探索假想
热门阅读
-
预言2030年太阳将休眠,恐怖的千年极寒将来临 07-11
-
中国十大元帅之死,多高寿而善终(林彪叛逃而死) 07-11
-
因果报应真实事例,做尽坏事必遭天谴 07-11
-
全球人口减少可能带来的六大教训和好处 07-18
-
离太阳最近的十大恒星排名,宇宙最大十大星球 04-12