劉亞娟

（渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000）

地區(qū)間冷熱不均引起空氣的垂直運(yùn)動(dòng)，同一水平面上的氣壓差異導(dǎo)致大氣的水平運(yùn)動(dòng)。地球也在運(yùn)動(dòng)，眾所周知，那人在地球上為什么沒(méi)有任何感覺(jué)呢？物體的下落是怎么產(chǎn)生的呢？

1 大氣和地球是整體運(yùn)動(dòng)

大氣也在旋轉(zhuǎn)，大氣和地球是轉(zhuǎn)成一體嗎？假設(shè)地球表面是均勻一致的，并且沒(méi)有地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即空氣的運(yùn)動(dòng)既無(wú)摩擦力，又無(wú)地轉(zhuǎn)偏向力的作用。那么赤道地區(qū)空氣受熱膨脹上升，極地空氣冷卻收縮下沉，赤道上空某一高度的氣壓高于極地上空某一相似高度的氣壓。在水平氣壓梯度力的作用下，赤道高空的空氣極地上空流去，赤道上空氣柱質(zhì)量減小，使赤道地面氣壓降低而形成低氣壓區(qū)，稱為赤道低壓；極地上空有空氣流入，地面氣壓升高而形成高氣壓區(qū)，稱為極地高壓。于是在低層就產(chǎn)生了自極地流向赤道的氣流補(bǔ)充了赤道上空流出的空氣質(zhì)量，這樣就形成了赤道與極地之間一個(gè)閉合的大氣環(huán)流，事實(shí)上地球時(shí)刻不停地自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于空氣流動(dòng)時(shí)會(huì)受到地轉(zhuǎn)偏向力的作用，是大氣旋轉(zhuǎn)的作用，是物體隨氣流運(yùn)動(dòng)的作用。地球的核心就是大氣的旋轉(zhuǎn)核心，所以說(shuō)大氣和地球是整體運(yùn)動(dòng)。

2 大氣的運(yùn)動(dòng)力

氣壓梯度是一個(gè)向量，它垂直于等壓面，由高壓指向低壓，數(shù)值等于單位距離內(nèi)的氣壓差。水平氣壓梯度的單位通常用hPa/赤道度表示（1赤道度等于在赤道上經(jīng)度相差1度間的距離,約為111km）。水平氣壓梯度很小，一般為1hPa/赤道度-3hPa/赤道度。而垂直氣壓梯度在低層大氣可達(dá)1hPa/10m，相當(dāng)于水平氣壓梯度的十萬(wàn)倍。但有重力與其平衡，因此，運(yùn)動(dòng)的空氣所受的總垂直分力并不大，對(duì)空氣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的作用并不如水平氣壓梯度明顯。水平氣壓梯度雖小，卻是推動(dòng)空氣運(yùn)動(dòng)的起始動(dòng)力，是空氣產(chǎn)生水平運(yùn)動(dòng)的直接原因和動(dòng)力。

空氣在轉(zhuǎn)動(dòng)的地球表面按水平氣壓梯度力方向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，會(huì)受到地球自轉(zhuǎn)偏向力的影響。全球各緯度帶的地轉(zhuǎn)偏向力數(shù)值大小不等，赤道上的地轉(zhuǎn)偏向力為零，極地的地轉(zhuǎn)偏向力最大，其他緯度的地轉(zhuǎn)偏向力介于兩者之間。地轉(zhuǎn)偏向力的方向在北半球指向物體運(yùn)動(dòng)的右方，在南半球指向物體運(yùn)動(dòng)的左方。地轉(zhuǎn)偏向力只在空氣相對(duì)于地表有運(yùn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生，并且只改變空氣運(yùn)動(dòng)的方向，而不改變空氣的運(yùn)動(dòng)速率。

大氣運(yùn)動(dòng)中受到的摩擦力一般分為內(nèi)摩擦力和外摩擦力。內(nèi)摩擦力是在速度不同或方向不同的相互接觸的兩個(gè)空氣層之間產(chǎn)生的一種相互牽制的力，它主要通過(guò)湍流交換作用使氣流速度發(fā)生改變，也稱湍流摩擦力，其數(shù)值很小，往往不予考慮。外摩擦力是空氣貼近下墊面運(yùn)動(dòng)時(shí)，下墊面對(duì)空氣運(yùn)動(dòng)的阻力。它的方向與空氣運(yùn)動(dòng)方向相反。一般海洋上摩擦力小，陸地上摩擦力大，所以海上風(fēng)大，陸上風(fēng)小。摩擦力可減小空氣運(yùn)動(dòng)的速度，并引起地轉(zhuǎn)偏向力相應(yīng)減小。摩擦力對(duì)運(yùn)動(dòng)空氣的影響以近地面最為顯著，隨著高度的增加而逐漸減小，到1km-2km高度以上，摩擦力的影響已小到可忽略不計(jì)。因此，把此高度以下稱為摩擦層，以上稱為自由大氣。

大氣的運(yùn)動(dòng)速度是非?？斓模魏挝矬w都要隨氣流運(yùn)動(dòng)以上我們把直升飛機(jī)當(dāng)作空中停留物體，因?yàn)橹鄙龣C(jī)借助機(jī)械力能在空中停留，如果沒(méi)有機(jī)械力的作用，直升機(jī)將是個(gè)落體，會(huì)像地面下落，直升機(jī)在空中借助機(jī)械力停留時(shí)，沒(méi)有飛行的狀況下，每小時(shí)能隨氣流運(yùn)行1679.4公里，可見(jiàn)大氣的運(yùn)動(dòng)力是很大的。

3 旋轉(zhuǎn)向心力

無(wú)論你在地球的哪個(gè)地方，核心都在你的垂直下方，上方在旋轉(zhuǎn)的周圍，任何物體進(jìn)入了大氣的旋轉(zhuǎn)體內(nèi)，都會(huì)向核心運(yùn)動(dòng)，物體從外到內(nèi)的過(guò)程就是人感覺(jué)從上到下的現(xiàn)象。物體的下落是怎么產(chǎn)生的呢？

我們做一個(gè)試驗(yàn)：在尼龍繩的一端拴一只小球，另一端穿過(guò)圓珠筆桿拴在彈簧稱上，彈簧秤下端固定在桌面上，手握筆桿掄起小球，使之在水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，這時(shí)小球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力可以認(rèn)為就是尼龍繩的拉力，這個(gè)拉力的大小可由彈簧秤讀出。保持轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變，加快旋轉(zhuǎn)小球，使它的角速度增大，彈簧秤的示數(shù)也增大，即向心力是隨角速度的增大而增大的；保持角速度不變，增大旋轉(zhuǎn)半徑，彈簧秤的示數(shù)也增大，即向心力是隨軌道半徑的增大而增大的；若保持角速度和旋轉(zhuǎn)半徑不變，增大球的質(zhì)量，也會(huì)發(fā)現(xiàn)，向心力是隨物體質(zhì)量的增大而增大的。同樣道理，大氣多的旋轉(zhuǎn)也能使比大氣中的物體向核心運(yùn)動(dòng)。

有一物體從旋轉(zhuǎn)外圍向核心運(yùn)動(dòng)，人的感覺(jué)這一物體是從上向下墜落。假如這一落體正好落進(jìn)通向地球另一面的孔里，這一落體會(huì)不會(huì)從地球的另一面沖出去呢？物體進(jìn)入核心，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的力已經(jīng)結(jié)束。如果物體借慣力繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)是向上運(yùn)動(dòng)的形式，旋轉(zhuǎn)中又從相反的方向產(chǎn)生了力，所以物體到了核心就到了終點(diǎn)，不會(huì)從另一面沖出去。這就是旋轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生向心力的作用。

4 旋轉(zhuǎn)離心力

當(dāng)空氣作圓周曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)還受到慣性離心力的作用。它的方向和空氣運(yùn)動(dòng)方向垂直。實(shí)際上，空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的慣性離心力一般比較小，往往小于地轉(zhuǎn)偏向力。慣性離心力和地轉(zhuǎn)偏向力一樣，只改變空氣運(yùn)動(dòng)的方向，不改變空氣運(yùn)動(dòng)的速度。

物體的輕重是由密度來(lái)確定的，同體積的物體密度大的向心力就大，物體就重，密度小的向心力就小，物體就輕，密度的大小就是向心力的大小。根據(jù)這個(gè)原理制造了離心分離器：它是分離渾濁液體和固體微?；蚍蛛x兩種不同密度混合液體的裝置。把含有固體微粒的渾濁液體裝入試管中，然后把試管放在能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，高速旋轉(zhuǎn)支架，試管就跟著高速旋轉(zhuǎn)，由于固體微粒密度大，會(huì)很快集中在試管底部，這樣就可把固體和溶液分離開來(lái)。

伽利略有過(guò)這樣一段論述：“把你和一些朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，再讓你帶上幾只蒼蠅、蝴蝶和其它小飛蟲，艙內(nèi)放有一只大水碗，其中放幾條小魚。然后掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴進(jìn)下面的小口罐子里，船停著不動(dòng)時(shí)，你留心觀察。小蟲等都同等的向艙內(nèi)各方飛行，魚向各方隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐子里。你把任何東西扔給同伴時(shí)，只要距離相同，向這一方向不必向另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無(wú)論向哪個(gè)方向，跳過(guò)的距離都相等。再讓船以任何速度前進(jìn)，即使船運(yùn)動(dòng)的相當(dāng)快，只要運(yùn)動(dòng)是勻速的，你將發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象絲毫沒(méi)有變化，你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。

伽利略的論述闡明了船無(wú)論行駛多快，只要是勻速的，船艙里的一切現(xiàn)象和大船不動(dòng)時(shí)是一樣的。其原因是所有物體、人體、大船同速的結(jié)果，但最主要的是對(duì)船艙密閉，是艙內(nèi)的空氣和艙內(nèi)的一切物體、人體隨同大船同速運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。只有空氣的同速才能使艙內(nèi)的各種現(xiàn)象保持自然狀態(tài)。

由此可見(jiàn)：地球大氣的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，地球在轉(zhuǎn)，那么近地面空氣就必須和地面同速運(yùn)動(dòng)。只有地面和空氣同速運(yùn)動(dòng)才能使地球上的一切物體保持自然狀態(tài)，人在地球上才沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)的感覺(jué)。因?yàn)榈厍蚴切D(zhuǎn)式運(yùn)動(dòng)，所以說(shuō)大氣也在旋轉(zhuǎn)。大氣的溫度、壓力和密度之間有密切的關(guān)系，大氣壓力分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致大氣的運(yùn)動(dòng)，大氣的運(yùn)動(dòng)又會(huì)引起氣壓場(chǎng)的重新調(diào)整。大氣的水平輻合運(yùn)動(dòng)和輻散運(yùn)動(dòng)會(huì)引起大氣在鉛直方向的上升運(yùn)動(dòng)和下沉運(yùn)動(dòng)，大氣的鉛直運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響大氣的水平運(yùn)動(dòng)。大氣通過(guò)機(jī)械運(yùn)動(dòng)、熱運(yùn)動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行水平方向和鉛直方向的物質(zhì)和能量的傳輸和轉(zhuǎn)換。能使氣球上升，船產(chǎn)生浮力，能使人在地球上自由生存，能使比空氣密度大的各種物體固定在地面上，能使樹上的果子落地，能使空中物體下落，物體產(chǎn)生重量等等，只有大氣的旋轉(zhuǎn)才能完成的效果。大氣的旋轉(zhuǎn)是地球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，也是地球形成的主要因素。只有大氣不停的旋轉(zhuǎn)，地球才能永恒的存在。

［1］邵長(zhǎng)泰.物理：基礎(chǔ)版[M].高等教育出版社，2002（09）.

［2］樓渝英.物理學(xué)[M].人民衛(wèi)生出版社，2010（06）

［3］漆安慎.力學(xué):普通物理學(xué)教程[M].高等教育出版社，2000（01）.