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地球上空的東西會隨著地球的自轉而移動嗎?

2021-05-26知識

首先我們重申一個眾所周知的事實:在赤道上如果將一個物體自由落體100m,其落點(僅考慮地球重力和自轉)會偏東2.2cm。

道理很簡單,如果我們不以旋轉的地球為參考系,物體並不是豎直下落,而是有一個水平的初速度。最後的向東位移極小的一個量,其來源於地球上空與地面的線速度差值。越靠近上面,線速度越大,從而產生一個向東位移。

或者我們以旋轉的地球來看,克氏力提供了一個向東的力,使物體向東運動。

那如果我們豎直上拋呢?顯然這是一個對稱過程,上升過程中向西,下落過程又會向東,從而落點不變。

事實上,物體運動過程中克氏力並不是始終指向正東/西方的(因為速度方向發生變化),所以還需要考慮克氏力變化的更加次級效應。

說這麽多的目的並不是為了說明「它的落點可能不在原地」這種廢話。而是為了說明我們在分析一個問題時常用的一個方法,把先分析核心問題,再逐次分析那些不太重要的問題。

在這個問題中最核心的就是地球上拋物體並不是豎直運動,而是會被地球賦予一個初速度。因為這個初速度存在,所以並不會「坐地日行八萬裏」。再次的原因就是克氏力或者高低差造成自轉線速度,再再次就是物體運動被克氏力改變而導致的克氏力改變……

這就是所謂的展開。接下來我們來介紹另一個常用方法。以此來闡述大氣層的問題。眾所周知大氣是牛頓流體,存在粘滯現象。但這並不是什麽大事情,我們只需要知道因為粘滯現象的存在角動量和動量會在大氣間傳遞。

因為損耗的存在,所以最後大氣的形狀必然是和地球的等效重力場(重力勢+離心勢)的等勢面是一致的。也就是一個中間凸兩頭凹的柑橘狀。

然後在此基礎上我們再來研究溫度梯度產生的影響。(這部份屬於初中地理基礎知識,由克氏力造成的風帶)

有了風帶之後,在地面附近可以再考慮由於海陸熱容導致的季風。當然此處的山川湖泊等地形可以視作一個修正效應。

而在極高空,空氣極稀薄,外太空的高能粒子對氣體的電離效應變得明顯,事情就又有了不一樣。

這種思維方式就是先考慮一個因素,再將其它因素疊加起來。也是我們常用的一種處理問題的方法。

所以回到問題本身,如果不考慮其它因素,懸在空中的直升機會和地球一起自轉(因為有個初線速度)。而其它因素中影響最大的是風(克氏力的修正在千分之五,遠小於風),而風又根據所處的位置不同性質而不一樣。

再次強調,當然說了這麽多,並不是要說一些廢話「可能落點位置不一樣」,而是「位置不變,除非你考慮其它效應」。