[科普中國]-柯氏效應

簡介

我們觀看天氣圖和人造衛(wèi)星拍攝的云圖，再加上經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)空氣的運動常常是循圓形軌跡的，譬如隨伴鋒面的氣旋和臺風。這些美麗的大旋渦使得我們的地球從太空看起來婀娜多姿，而不是亂糟糟的一團。這些旋渦多半是地球自轉(zhuǎn)所導至的偏折效應引起的。在北半球這種偏折效應使得任何物體在運動時，都或多或少會有向右偏轉(zhuǎn)的趨勢；在南半球則相反，都有向左偏轉(zhuǎn)的傾向。空氣和海水的運動都不例外。

這種偏折的效應，科學家們稱之為柯氏效應（Coriolis effect），用以紀念物理學家柯里奧利斯在這方面所作的貢獻。

案例地球是個自轉(zhuǎn)的坐標系，它一天自轉(zhuǎn)一周。理論上，地球上面無論什么東西，只要有相對于地面的運動，就會受到柯氏效應的影響。

譬如我們以每小時6公里的速度走路，每走1公里就會向右偏22公尺。再如我們以每小時20公里的速度騎著腳踏車依照想象的直線前進，每行1公里就會向右偏7公尺（這兩個例子，都是以北緯30°為參考點）。當然事實上我們不會感覺到這種偏折的傾向，因為我們生來就有一種隨時矯正方向的本能。不過據(jù)說迷路的極區(qū)探險者有一種在原地打圈圈的強烈趨勢，而且在北極是向右打圈圈，在南極則向左打圈圈。這很可能就是柯氏效應在作怪，因為極區(qū)的柯氏效應比我們這兒大了146%之多。

讓我們再看看一些無生命的東西在飛行時會受到多少影響。拿200公尺打靶來說，假設子彈的初速為每秒250公尺，當它到達靶標時，會向右偏6毫米。這個偏差當然微不足道。可是長程炮的射擊，就得對柯氏效應留點心了。譬如某戰(zhàn)艦瞄準32公里（8英吋加農(nóng)炮的射程）外的一座橋梁，它打出去的炮彈將完全錯過目標，因為柯氏效應就會使炮彈偏離目標達60公尺。再拿第一次世界大戰(zhàn)時，德國一座射程達112公里的大炮為例，炮彈由炮口出來就得花三分鐘才到達目標，柯氏效應造成的偏差更是大得驚人，竟達1.6公里！

更長程的國際航線飛行，柯氏效應的問題就更嚴重了。例如自北極朝紐約飛行的飛機，假設飛行時速是960公里，如果中途不隨時修正方向，當它降陸時將會發(fā)現(xiàn)是在芝加哥附近，兩地相距達1200公里！

大氣運動會受什么樣的影響？

在所有受柯氏效應影響的現(xiàn)象當中，大氣運動大概是最有趣而且最復雜的了。

我們都知道空氣的流動就成風?？墒鞘裁茨苁箍諝饬鲃幽?？舉個最簡單的例子：一個吹脹的氣球，球內(nèi)氣壓比外邊高，當我們把氣球的口打開時，空氣就會從里面跑出來而造成風。因此有氣壓差存在時，風就會從高壓區(qū)吹向低壓區(qū)（如果沒有柯氏效應的話）?？墒窃谝粋€旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)里面，情形就不一樣了。

讓我們想象一團空氣自高氣壓區(qū)流向低氣壓區(qū)（為了簡單起見，假設這一團空氣在移動的過程中不會與周圍的空氣相混合）。但是當它移動時，因受柯氏效應的影響而向右偏折（見圖八）。開始的時候，由于空氣的移動速度慢，柯氏力小（如上面所說的，柯氏力的大小與速度成正比），而且與壓力梯度力（由于壓力差引發(fā)的力由高壓區(qū)指向低壓區(qū)）不同在一直在線，二者無法平衡，于是空氣團繼續(xù)向低壓區(qū)加速，而柯氏力也使它繼續(xù)向右偏折。一直到運動方向與等壓線（沿著這些線的各處氣壓都相同）平行時，柯氏力指向高壓區(qū)，正好與指向低壓區(qū)的壓力梯度力相平衡。此時空氣團不再向低壓區(qū)加速，而沿著等壓線運動。因此對于大尺度的大氣運動，風通常是沿著等壓線吹的，而不是由高壓區(qū)直接吹向低壓區(qū)的。這種平衡狀態(tài)，氣象學家稱之為地轉(zhuǎn)風平衡。

不過，以上的敘述是基于沒有摩擦力影響的假設。但在靠近地面的地方，因為有許多障礙物（如樹、草、房子等），摩擦力是很重要的。那么有摩擦力的影響之下，平衡狀態(tài)會受到怎樣的改變呢？

我們現(xiàn)在在圖八的例子里加上摩擦力（見圖九），摩擦力永遠是指向和運動速度相反的方向?，F(xiàn)在我們有了三種力，要使它們達成平衡必須三種力都指向不同的方向，而且彼此的夾角必然大于90°，于是成了圖九那種安排法。柯氏力在平衡狀態(tài)時不再與等壓線成直交。但柯氏力和運動方向垂直，所以運動方向不再平行于等壓線，而是略有跨越等壓線的分量。（按：摩擦力在靠近地面的地方才顯得重要。）

這個跨越等壓線的分量對于像圖九那樣的氣壓系統(tǒng)，除了使高壓區(qū)與低壓區(qū)的空氣有混合的作用外，似乎并沒有什么重要性?？墒菍τ诜忾]的低氣壓系統(tǒng)或高氣壓系統(tǒng)，這種跨越等壓線的行為就相當重要了。在沒有柯氏效應的情形下，風會從四面八方吹向低氣壓中心。但在柯氏效應的影響之下，風主要是繞著低氣壓中心打轉(zhuǎn)兒（地轉(zhuǎn)風平衡，注一）。在靠近地面的地方，摩擦力的效應使風有吹向低氣壓中心的分量──亦即風一面繞著低氣壓中心打轉(zhuǎn)兒，一面吹向中心輻合的空氣到了中心無處可去，只有向上移動，因此就像有個幫浦把空氣自低處抽到高處去一樣。高處的氣壓較低，上升的空氣體積會膨脹，溫度會下降，所含的水汽比較容易凝結成云。因此，低氣壓上空經(jīng)常有螺旋形的云籠罩，天氣較壞（注二）。高氣壓中心的情形剛好相反，風一面繞著中心打轉(zhuǎn)兒，一面向四面吹出去?？拷孛娴牡胤揭驗橹行牡目諝饬鞒鋈?，只有上空的空氣來補充。下降的空氣受到擠壓，體積縮小，溫度升高，云氣被蒸發(fā)，因此高氣壓中心的上空通常是晴朗。

臺風是一個很強烈的低氣壓中心，空氣的運動情形很像圖十那樣，只是要強烈得多。對于臺風來說，上面所提到的把低處空氣自中心處向上「抽」的現(xiàn)象有兩層非常重要的作用。臺風誕生并生存于溫暖的海面，那兒水汽的供應很充分。這種抽的作用把低處的水汽抽了上去，一方面上升的水汽凝結成云和雨水，放出潛熱，供應臺風運動的能量。一方面把水汽帶走，使得海面水汽的蒸發(fā)更容易，而達到源源供應臺風能量的目的。因此臺風發(fā)展、維持或衰敗要看能量供應的大小和能量消耗的快慢而定，這些都和這種「抽」的作用有關。而抽的作用就是由跨越等壓線的風造成的。

不過話又說回來。如果沒有柯氏效應，風直接自高氣壓吹向低氣壓，兩者的空氣很容易混合，而減弱或破壞氣壓梯度力，因此風不會太強烈。而柯氏效應使得風主要平行于等壓線吹，阻止了空氣直線的混合，才會有那么強烈的天氣現(xiàn)象，真是亦功亦過。

衡量標準是不是所有的大氣運動都受到柯氏效應的控制呢？并不盡然。由前面的圓盤實驗我們已經(jīng)知道，柯氏效應的影響程度要看運動物體的速度、運動的尺度（范圍）以及坐標系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的快慢而定。大氣的運動也是一樣。氣象學家用所謂羅士培數(shù)（Rossby number──紀念瑞典學者羅士培對氣象學與海洋學所作的卓越貢獻。羅士培數(shù)就是地球自轉(zhuǎn)的特性時間與運動的特性時間之比。如果?表示單位時間地球自轉(zhuǎn)的頻率，則其倒數(shù)代表自轉(zhuǎn)的特性時間。又假設運動的速度用U代表，運動的尺度用L代表，則運動的特性時間為L/U（即物體以U的速度走完L的距離所需要的時間）。因此羅士培數(shù)可以表示成：

1/?÷L/U=U/(?L)

我們前面已經(jīng)說過，運動物體的速度越大，柯氏效應越??；地球自轉(zhuǎn)越慢，柯氏效應也越??；運動的尺度越小，柯氏效應越小。這些結果都指向同一結論：羅士培數(shù)越大，柯氏效應越小。反之，羅士培數(shù)越小，柯氏效應越大。通常當羅士培數(shù)小于1時，我們說柯氏效應是很重要的；而當它大于1時，柯氏效應就不重要了。例如大氣中的氣旋，其水平尺度約為10公尺，風速約為每秒10公尺，則羅士培數(shù)約為0.1，因此柯氏效應是很重要的。

注一：圓周運動還會導至離心力的發(fā)生，此時應該是氣壓梯度力、離心力及柯氏力互相平衡，這叫梯度風。不過原理和地轉(zhuǎn)風相似。為了避免引起不必要的復雜性，我這兒仍引用地轉(zhuǎn)風的觀念。

注二：因為低氣壓的風系是順著反時鐘方向旋轉(zhuǎn)，故又稱氣旋。不過實際上的氣旋比這兒描述的要復雜得多。