浅论大气旋转力

刘亚娟

（渭南职业技术学院，陕西 渭南 714000）

地区间冷热不均引起空气的垂直运动，同一水平面上的气压差异导致大气的水平运动。地球也在运动，众所周知，那人在地球上为什么没有任何感觉呢？物体的下落是怎么产生的呢？

1 大气和地球是整体运动

大气也在旋转，大气和地球是转成一体吗？假设地球表面是均匀一致的，并且没有地球自转运动，即空气的运动既无摩擦力，又无地转偏向力的作用。那么赤道地区空气受热膨胀上升，极地空气冷却收缩下沉，赤道上空某一高度的气压高于极地上空某一相似高度的气压。在水平气压梯度力的作用下，赤道高空的空气极地上空流去，赤道上空气柱质量减小，使赤道地面气压降低而形成低气压区，称为赤道低压；极地上空有空气流入，地面气压升高而形成高气压区，称为极地高压。于是在低层就产生了自极地流向赤道的气流补充了赤道上空流出的空气质量，这样就形成了赤道与极地之间一个闭合的大气环流，事实上地球时刻不停地自转运动，由于空气流动时会受到地转偏向力的作用，是大气旋转的作用，是物体随气流运动的作用。地球的核心就是大气的旋转核心，所以说大气和地球是整体运动。

2 大气的运动力

气压梯度是一个向量，它垂直于等压面，由高压指向低压，数值等于单位距离内的气压差。水平气压梯度的单位通常用hPa/赤道度表示（1赤道度等于在赤道上经度相差1度间的距离,约为111km）。水平气压梯度很小，一般为1hPa/赤道度-3hPa/赤道度。而垂直气压梯度在低层大气可达1hPa/10m，相当于水平气压梯度的十万倍。但有重力与其平衡，因此，运动的空气所受的总垂直分力并不大，对空气产生运动的作用并不如水平气压梯度明显。水平气压梯度虽小，却是推动空气运动的起始动力，是空气产生水平运动的直接原因和动力。

空气在转动的地球表面按水平气压梯度力方向运动的同时，会受到地球自转偏向力的影响。全球各纬度带的地转偏向力数值大小不等，赤道上的地转偏向力为零，极地的地转偏向力最大，其他纬度的地转偏向力介于两者之间。地转偏向力的方向在北半球指向物体运动的右方，在南半球指向物体运动的左方。地转偏向力只在空气相对于地表有运动时才产生，并且只改变空气运动的方向，而不改变空气的运动速率。

大气运动中受到的摩擦力一般分为内摩擦力和外摩擦力。内摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接触的两个空气层之间产生的一种相互牵制的力，它主要通过湍流交换作用使气流速度发生改变，也称湍流摩擦力，其数值很小，往往不予考虑。外摩擦力是空气贴近下垫面运动时，下垫面对空气运动的阻力。它的方向与空气运动方向相反。一般海洋上摩擦力小，陆地上摩擦力大，所以海上风大，陆上风小。摩擦力可减小空气运动的速度，并引起地转偏向力相应减小。摩擦力对运动空气的影响以近地面最为显著，随着高度的增加而逐渐减小，到1km-2km高度以上，摩擦力的影响已小到可忽略不计。因此，把此高度以下称为摩擦层，以上称为自由大气。

大气的运动速度是非常快的，任何物体都要随气流运动以上我们把直升飞机当作空中停留物体，因为直升机借助机械力能在空中停留，如果没有机械力的作用，直升机将是个落体，会像地面下落，直升机在空中借助机械力停留时，没有飞行的状况下，每小时能随气流运行1679.4公里，可见大气的运动力是很大的。

3 旋转向心力

无论你在地球的哪个地方，核心都在你的垂直下方，上方在旋转的周围，任何物体进入了大气的旋转体内，都会向核心运动，物体从外到内的过程就是人感觉从上到下的现象。物体的下落是怎么产生的呢？

我们做一个试验：在尼龙绳的一端拴一只小球，另一端穿过圆珠笔杆拴在弹簧称上，弹簧秤下端固定在桌面上，手握笔杆抡起小球，使之在水平面上做匀速圆周运动，这时小球做圆周运动的向心力可以认为就是尼龙绳的拉力，这个拉力的大小可由弹簧秤读出。保持转动半径不变，加快旋转小球，使它的角速度增大，弹簧秤的示数也增大，即向心力是随角速度的增大而增大的；保持角速度不变，增大旋转半径，弹簧秤的示数也增大，即向心力是随轨道半径的增大而增大的；若保持角速度和旋转半径不变，增大球的质量，也会发现，向心力是随物体质量的增大而增大的。同样道理，大气多的旋转也能使比大气中的物体向核心运动。

有一物体从旋转外围向核心运动，人的感觉这一物体是从上向下坠落。假如这一落体正好落进通向地球另一面的孔里，这一落体会不会从地球的另一面冲出去呢？物体进入核心，旋转过程中产生的力已经结束。如果物体借惯力继续运动，已经是向上运动的形式，旋转中又从相反的方向产生了力，所以物体到了核心就到了终点，不会从另一面冲出去。这就是旋转过程产生向心力的作用。

4 旋转离心力

当空气作圆周曲线运动时还受到惯性离心力的作用。它的方向和空气运动方向垂直。实际上，空气运动时受到的惯性离心力一般比较小，往往小于地转偏向力。惯性离心力和地转偏向力一样，只改变空气运动的方向，不改变空气运动的速度。

物体的轻重是由密度来确定的，同体积的物体密度大的向心力就大，物体就重，密度小的向心力就小，物体就轻，密度的大小就是向心力的大小。根据这个原理制造了离心分离器：它是分离浑浊液体和固体微粒或分离两种不同密度混合液体的装置。把含有固体微粒的浑浊液体装入试管中，然后把试管放在能够转动的支架上，高速旋转支架，试管就跟着高速旋转，由于固体微粒密度大，会很快集中在试管底部，这样就可把固体和溶液分离开来。

伽利略有过这样一段论述：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你带上几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫，舱内放有一只大水碗，其中放几条小鱼。然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴进下面的小口罐子里，船停着不动时，你留心观察。小虫等都同等的向舱内各方飞行，鱼向各方随便游动，水滴滴进下面的罐子里。你把任何东西扔给同伴时，只要距离相同，向这一方向不必向另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向，跳过的距离都相等。再让船以任何速度前进，即使船运动的相当快，只要运动是匀速的，你将发现上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是停着不动。

伽利略的论述阐明了船无论行驶多快，只要是匀速的，船舱里的一切现象和大船不动时是一样的。其原因是所有物体、人体、大船同速的结果，但最主要的是对船舱密闭，是舱内的空气和舱内的一切物体、人体随同大船同速运动的结果。只有空气的同速才能使舱内的各种现象保持自然状态。

由此可见：地球大气的运动非常复杂，地球在转，那么近地面空气就必须和地面同速运动。只有地面和空气同速运动才能使地球上的一切物体保持自然状态，人在地球上才没有转动的感觉。因为地球是旋转式运动，所以说大气也在旋转。大气的温度、压力和密度之间有密切的关系，大气压力分布的不均匀会导致大气的运动，大气的运动又会引起气压场的重新调整。大气的水平辐合运动和辐散运动会引起大气在铅直方向的上升运动和下沉运动，大气的铅直运动也会影响大气的水平运动。大气通过机械运动、热运动等多种运动形式进行水平方向和铅直方向的物质和能量的传输和转换。能使气球上升，船产生浮力，能使人在地球上自由生存，能使比空气密度大的各种物体固定在地面上，能使树上的果子落地，能使空中物体下落，物体产生重量等等，只有大气的旋转才能完成的效果。大气的旋转是地球运动的动力，也是地球形成的主要因素。只有大气不停的旋转，地球才能永恒的存在。

［1］邵长泰.物理：基础版[M].高等教育出版社，2002（09）.

［2］楼渝英.物理学[M].人民卫生出版社，2010（06）

［3］漆安慎.力学:普通物理学教程[M].高等教育出版社，2000（01）.