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地球上空的东西会随着地球的自转而移动吗?

2021-05-26知识

首先我们重申一个众所周知的事实:在赤道上如果将一个物体自由落体100m,其落点(仅考虑地球引力和自转)会偏东2.2cm。

道理很简单,如果我们不以旋转的地球为参考系,物体并不是竖直下落,而是有一个水平的初速度。最后的向东位移极小的一个量,其来源于地球上空与地面的线速度差值。越靠近上面,线速度越大,从而产生一个向东位移。

或者我们以旋转的地球来看,克氏力提供了一个向东的力,使物体向东运动。

那如果我们竖直上抛呢?显然这是一个对称过程,上升过程中向西,下落过程又会向东,从而落点不变。

事实上,物体运动过程中克氏力并不是始终指向正东/西方的(因为速度方向发生变化),所以还需要考虑克氏力变化的更加次级效应。

说这么多的目的并不是为了说明「它的落点可能不在原地」这种废话。而是为了说明我们在分析一个问题时常用的一个方法,把先分析核心问题,再逐次分析那些不太重要的问题。

在这个问题中最核心的就是地球上抛物体并不是竖直运动,而是会被地球赋予一个初速度。因为这个初速度存在,所以并不会「坐地日行八万里」。再次的原因就是克氏力或者高低差造成自转线速度,再再次就是物体运动被克氏力改变而导致的克氏力改变……

这就是所谓的展开。接下来我们来介绍另一个常用方法。以此来阐述大气层的问题。众所周知大气是牛顿流体,存在粘滞现象。但这并不是什么大事情,我们只需要知道因为粘滞现象的存在角动量和动量会在大气间传递。

因为损耗的存在,所以最后大气的形状必然是和地球的等效引力场(引力势+离心势)的等势面是一致的。也就是一个中间凸两头凹的柑橘状。

然后在此基础上我们再来研究温度梯度产生的影响。(这部分属于初中地理基础知识,由克氏力造成的风带)

有了风带之后,在地面附近可以再考虑由于海陆热容导致的季风。当然此处的山川湖泊等地形可以视作一个修正效应。

而在极高空,空气极稀薄,外太空的高能粒子对气体的电离效应变得明显,事情就又有了不一样。

这种思维方式就是先考虑一个因素,再将其它因素叠加起来。也是我们常用的一种处理问题的方法。

所以回到问题本身,如果不考虑其它因素,悬在空中的直升机会和地球一起自转(因为有个初线速度)。而其它因素中影响最大的是风(克氏力的修正在千分之五,远小于风),而风又根据所处的位置不同性质而不一样。

再次强调,当然说了这么多,并不是要说一些废话「可能落点位置不一样」,而是「位置不变,除非你考虑其它效应」。