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地球自转是如何影响台风旋转的?

来源:科普中国-科普中国融合创作 2017-09-04     

  出品:科普中国

  制作:陈星

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  前段时间,南方各省的台风肆虐,从气象台发布的台风图来看,我们发现台风的旋转方向都是逆时针的,那是不是所有的台风都是逆时针的呢?

台风“天鸽”(图片来自网络)

  其实台风并非都是逆时针旋转的。因为我们处于北半球,所以通常在天气预报中看到的都是北半球的台风情况。北半球的台风都是逆时针旋转的,与此相反,南半球的台风都是顺时针旋转的。另外,值得一提的就是,赤道附近是不存在台风的。

  那么为什么台风会出现不同的旋转方向呢?这是由于地球自转造成的。

  地球自转影响台风旋转方向

  地球自转是如何影响台风的旋转方向的呢?这就要从地球自转产生的“科里奥利力”说起。

  科里奥利力是对旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性,相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。这种现象是由法国数学家兼物理学家古斯塔夫·科里奥利发现,因此这种惯性力被命名为科里奥利力。

古斯塔夫·科里奥利(图片来自网络)

  因为地球本身是一个巨大的旋转体系,在这个旋转体系中进行直线运动的物体,由于惯性的作用,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,以地球为参照系去观察,就会发现物体的运动轨迹会发生一定程度的偏离,从地球上看,好像是一种额外的力造成了这种偏离,这种额外的力就是科里奥利力。

科里奥利力效应(图片来自网络)

  科里奥利力是一种假想的惯性力,其实并不存在,它只是为了在旋转参考系(非惯性参考系)下,牛顿运动定律依然能够使用而引入的。与此类似,我们平时常说的离心力也是一种假想的惯性力,实际上并不存在。

  科里奥利力的大小

  接下来我们主要对北半球的科里奥利力的情况予以说明,南半球的情况是类似的。

  举个形象的例子来说就是,假设在北半球,某物体的初始速度方向向着正北方向,由于该物体从接近赤道的地方开始运动,因此在向北的过程中,它的向东的速度分量会逐渐大于地球自转的速度,因此从地球的角度观察,经过一段时间后,由于科里奥利力的作用,该物体的运动方向将会变成东北方向。

  如果该物体从北向南运动,由于越向南(不能越过赤道)地球的自转速度越大,因此该物体的向东的运动分量会跟不上地球的自转速度,以地球为参考系就会表现为,该物体在科里奥利力的作用下,运动方向逐渐变成西南方向。如下图所示:

图片来自网络

  对于向东或者向西的运动,情况可以归纳为上面第二种情况,因为不管是朝向正东还是正西,由于地球是圆的,惯性物体最终都会偏离经线有一个向南的速度分量,因此和第二种情况就比较类似了。

  科里奥利力的大小由下面的公式来确定:

  其中m是运动物体的质量,v是速度,ω是地球自转的速度。按照这个公式,有时我们会算出科里奥利力的方向会指向天空,这种情况下它的作用就会被重力所抵消,比如说赤道附近。

  因此科里奥利力对地球各种自然现象的影响主要是由它的沿地表方向的分力所产生的,也即地转偏向力,它的大小如下所示:

  θ代表物体所处的纬度。由此我们可以来大概计算一下普通人的在走路时所受到地转偏向力的大小。假设 m=70kg,v=2m/s,地球自转的速度是15度每小时,换算成标准单位就是:

  因此普通人走路时所感受到的最大的地转偏向力大概是0.0016N,是非常小的。因此日常生活中的小尺度范围内不太能感受到它的影响。但是在大尺度范围内,它累计的影响是很明显的。

  科里奥利力的影响

  以台风为例。在北半球,当风由副热带高气压带吹向赤道低气压带的时候,由于地转偏向力,风的方向会发生会向右偏转,在海洋那么大的尺度范围内,最终会形成各种逆时针旋转的热带气旋,再加上其他各种因素的影响,有些热带气旋会形成破坏力强大的台风。

北半球的台风逆时针旋转(图片来自网络)

  因此,在各种气象云图上,北半球的台风无一例外,都是逆时针旋转的,而与此相反,南半球的都是顺时针旋转的。由上面的公式还可以看出,赤道附近由于纬度为零,因此地转偏向力的大小也为零,因此赤道附近是不会形成热带气旋的,更不会形成台风。

北半球热带气旋示意图(图片来自网络)

  当然,地转偏向力只是台风形成的一个必要条件之一。缺少了这种力,地球上不会有台风,但是,即使存在这种力,台风也不见得总是可以形成,还得有各种其他的因素的作用,例如说合适的温度,合适的地点等等。

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[责任编辑:xujinghui]

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