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水槽中的漩涡是地球自转的证据吗?

汪诘 2018-01-15 17:20:40 阅读:

水槽中的漩涡是地球自转的证据吗?

今天我们先从风开始说起,由于太阳辐射到地球上的热量分布不均,就造成了各处不同的气压。但是,空气会在物理规律的制约下,试图平衡各处的压力。风就是空气想努力保持四处平衡的一种方式。空气总是从高压区流向低压区,如果你坐飞机在万米高空打开窗户,那么,一切不固定的东西都会被吸向窗外,这种景象我们在电影中见的多了。

压力越大,则产生的风速也越高,而风的破坏力与风速的平方成正比。因此,时速 300 公里的大风不是只比时速 30 公里的风强 10 倍,而是 100 倍,破坏力也要大得多得多。把数百万吨的空气加速到这种程度,其拥有的能量是极其惊人的。我们上期节目说过,一次典型的飓风在 24 小时中释放的能量是 10 的 19 次方焦耳的量级,我们不妨把这个转换成电力,或许可以让你更加直观地感受它的大小。一度电相当于 3.6 x 106 焦耳,也就是相差了 10 的 13 次方个数量级,就是相当于 10 万亿度电,国家能源局发布的我国 2014 年全年的用电量是 5.5 万亿度。怎么样,这样你有些概念了吧,理想化的说来,如果能用台风发电,那么发一天够二年用的。

大气有寻求压力平衡的内在动力,这一点是哈雷第一个认识到的(你发现没有,哈雷同学在我这个系列节目中上镜率实在是高),然后由他的英国同胞哈德利(Briton George Hadley)在 18 世纪加以详细阐述。他发现上升和下降的空气柱会共同形成“气旋”(也被称作“哈德利气旋”)。哈德利是一名律师,但他对天气保持着浓厚的兴趣,这符合英国绅士的典型形象,天天拿把伞。他认为气旋产生的根本原因是地球自转,最明显的现象就是海洋贸易风。不过,最后完成理论计算的是法国工程师科里奥利(Gaspard-Gustave de Coriolis),所以今天我们把它称之为科里奥利效应。这个效应有很多别名,也叫做科里奥利力,这个叫法结尾连续两个力,很变扭,所以,也简化成科氏力,还有个叫法是地转偏向力。

但是,凡是叫“力”的其实都不正确,因为科氏力并不是物体真正受力,而是一种假想出来的力。这个怎么理解?我觉得在这里我岔开一点话题,把科氏力讲的深入一点会对于你将来在科技馆吹牛皮有点帮助。很多科技馆都能看到一个证明地球在自转的装置,就是大名鼎鼎的“傅科摆”,摆锤运动会随着时间的推移,慢慢改变摆动的朝向。但这个摆锤必须要非常巨大,怎么也得 10 几米高吧,当年傅科在教堂中做的那个有 67 米高,如果你看到一个小号的傅科摆,那背后肯定是作弊了的,太小是演示不出科里奥利效应的。我记得有一次在某个场合听一位科技馆的讲解员讲解傅科摆,她说根据牛顿第一运动定律,物体的运动方向要改变必须受力,所以,我们看到傅科摆的运动方向改变了,必然是受到了某种外力的作用,那这就是地转偏向力,也叫科氏力。这个解释有两个问题,第一个是,我们看到物体运动方向改变不一定是被观测的物体受力,也可以是我们自己受力,相对于被观测物体改变了运动方向导致的;第二个是,这种解释没有说明为什么傅科摆证明了地球自转,而傅科摆设计的初衷是为了证明地球自转的。要把傅科摆的原理解释清楚,我们必须站到上帝视角来看,我们要把自己放到太空中看一个旋转的地球,现在,我们要以太空中某一个固定的点作为参照物,然后,想象地球上有一个朝着那个固定的点做来回摆动的摆锤,因为惯性定律,摆动的朝向在不受到外力的情况下,是始终朝着那个固定的点的。而地球上的我们,是随着地球转动的,所以,在我们的眼中来看,那摆动就是在变换方向了。所以啊,要想明白傅科摆,关键要把自己放到太空中看地球。傅科摆的关键是摆线的顶端必须要有一个万向节,确保地球的转动不会牵扯到摆动的方向。而且,与那位讲解员解释的刚好相反,恰恰是因为傅科摆没有受到外力,这才产生了科里奥利效应,从上帝视角来看,改变运动方向的是我们,而不是摆锤。但是为了便于计算,我们是可以假想出一个力,强行让我们自己不动的。

基于同样的原理,在北半球,从大尺度上来看,风向就会向偏转,而南半球刚好相反,风向会向左偏转,它主导了地球的高压区和低压区的空气流向,北半球高压区以顺时针方向旋转、低压区(以及热带气旋)逆时针旋转;南半球则是反方向,高压区逆时针旋转,低压区则是顺时针。但是我必须要提醒大家注意,科里奥利效应是非常微弱的,有时候我们会听到解释说为什么水槽中的水会顺时针旋转的漏下去,那是因为科里奥利效应,以前我也对此深信不疑的。这话你说他错吧,也不能算完全错,水当然也会受到科氏力,如果在一个完全理想的状态下,那是对的。但你说对吧,其实影响水槽下水自旋方向的最大因素还是下水管子中的螺纹,其影响程度可能是科氏力的几千倍,所以,南北半球的下水漩涡朝哪个方向都是有可能的。

无论是从人的心理上还是从实际应用的角度来说,气象学对我们每一个人都很重要。但居然在 19 世纪之前,气象学都没有被当作是一门正经的科学。这其中有一部分原因是因为气象学的成功离不开对温度的精确测量,但是长期以来,制造温度计的困难要比你想象的大得多。精确的读数依赖于玻璃管的内径必须非常均匀,但要做到这点绝非易事。第一个解决此问题的人是一位定居在荷兰的德国人仪表制造专家,叫华伦海特(Daniel Gabriel Fahrenheit),他在 1714 年成功地制造出了一支精确的温度计。他把冰点设为 32 度,而沸点设定为 212 度,这就是美国至今还在广泛使用的华氏温标。你可能会觉得很奇怪,为什么是这么一个奇怪的数值,有一种说法是,因为华伦海特觉得这样设计的好处就是可以在水结冰到沸腾之间划分 180 个等份,然后又可以让人体的体温尽可能接近 100 华氏度,实际上是 96 华氏度,我个人觉得这个解释好牵强。显然,这种奇怪的数值设定肯定会让很多人无所适从。到了 1742 年,瑞典天文学家摄尔西乌斯(Anders Celsius)提出了另一种与之竞争的温标。他一开始把沸点设为 0 度,冰点设为 100 度,但很快就把它们颠倒了过来。这又一次证明发明家们往往都不能把事情一次做到位的。不过,摄氏度的温标设计显然更符合人的认知习惯,明显好用,所以,今天,世界上的绝大多数国家都采用摄氏温标,连英国在 1970 年以后都弃用华氏温标了。

最常被认为是现代气象学之父的人,是一位英国药剂师,叫霍华德(Luke Howard),他成名于 19 世纪初。霍华德最主要的贡献是在 1803 年把云分类并制定命名法。这种方法直接借鉴了林奈的植物分类命名原理,霍华德本人也是林奈学会中一名受人尊敬的活跃分子。但奇怪的是他却在另外一个叫阿斯克斯的不太知名的学会中公布了他的成果。

霍华德把云分成三种类型:层次分明的层云(stratus);绒毛般的积云(cumulus);高空中的羽毛状的卷云(cirrus)。卷云往往预示着冷空气的到来。后来他又增加了第四种:会下雨的雨云(nimbus)。霍华德这套体系的妙处在于,这些基本的元素可以自由组合,从而描述天空中飘过的每一种不同形状和大小的云。比如,层积云(stratocumulus),卷层云(cirrostratus),积雨云(cumulonimbus)等等。这种方法很快流行起来,而且不单是在英国。连歌德都很欣赏这套方法,还写了四首诗献给霍华德。

云就天上的水,这些水的命运取决于降在什么地方,如果落在肥沃的土地上,要么被植物吸收掉,要么在几小时或几天之内蒸发掉。要是刚好以某种方式进入到地下水中,那么就有可能几年也见不到阳光了。如果进入更深的地下,几千年不见天日也说不准。平均来说,湖里的水分子大约可以住上个十年左右,而在海里的话,这个时间据说可以超过 100 年。实际上,雨水中的水分子大约有 60% 会在一两天之内返回大气中。水一旦被蒸发后,它们在天上呆个 10 天左右就又再次以雨的形式降下来。

蒸发实际上是一个很快的过程,像地中海这么大一片海洋,如果没有持续补充,1000 年就会蒸发殆尽了。这样的事件在稍稍不到 600 万年前就发生过,引发了被科学界称为“墨西拿盐度危机”的事件(MessinianSalinity Crisis)。在 600 万年前,地质学家们把这个时期称为墨西拿期,由于大陆板块的移动阻塞了直布罗陀海峡。于是,没有了水源的补充,地中海的水不断地蒸发,逐渐干涸,被蒸发的水以淡水雨的形式降到了别的海中,稍稍降低了那些海水的盐度,这就使得那些地区结冰的区域逐步扩大,而扩大的冰区又会将越来越多的太阳热量反射回去,直到把地球整个推入到冰河世纪。这次事件说明,地球运动的一点点小变化都可能产生超乎我们想象的大影响。

地表上的各种自然表现的真正力量之源是海洋。实际上,气象学家们越来越把海洋和大气看作是一个单一的整体系统来对待。海水保存和传递热量的能力之强超出我们的想象。每天,墨西哥湾暖流给欧洲带去的热量相当于全世界 10 年产出的煤包含的热量之和。这就解释了为什么比起加拿大和俄罗斯,不列颠群岛和爱尔兰的冬天要温暖得多。但是水热得慢,所以夏天最热的时候,我们会去湖里或游泳池中找凉快。所以我们人体能感觉到的季节变化总是落后于天文学意义上的季节变化。在北半球,三月就是天文学意义上的春季了,但是三月我们可能还穿着棉袄呢,上海的平均气温一般在 10 度以下,我国大多数地方最早也要到四月才能感受到春意。

海洋中的海水并不是均匀一致的。它们在温度、盐度、深度、密度等方面都有差异,这些又极大地影响着它们传递热量的方式,进而又对气候施加影响。例如,大西洋的盐度比太平洋高,这是一件好事情。盐度越高的海水密度越大,密度大的海水就会下沉。若不是大西洋含有更多的盐分,大西洋洋流就会一直推进到北极地区,那么,北极暖和了,欧洲的宜人温暖也就没了。地球上热量的主要传递方式被称为温盐环流(thermohaline circulation),也叫深海洋流。这种运动非常缓慢,是一种极深的海底洋流。它是由那位科学家兼冒险家的伦福德伯爵在 1797 年首次观测到的。他发现海洋表面的海水到了欧洲附近后,密度会增大,然后下沉到极深的海底,以非常缓慢的速度再返回到南半球。这些海水到达南极后,融入到南极的绕极洋流中,最终被带入进太平洋中。这个过程极其缓慢,海水从北大西洋运动到中太平洋,大约要花去 1500 年,但是传递的热量以及对气候的影响是非常巨大的。

你可能想知道,科学家是怎么知道一滴海水从这个大洋流到另一个大洋花了多少时间的。是这样,科学家可以测定海水中某种化合物的含量,然后可以进一步计算出它们是多久之前从空气中进入海水的。通过比较不同地点不同深度的数据,科学家就能合理地绘制出海水的运动路线图。

温盐环流不仅仅传递着热量,而且随着洋流的升降,还搅动着海洋中的营养物质,这使得海洋中更多的区域成为适合鱼类和其他海洋生物生存的地区。但不幸的是,这种对流很敏感,极易被打破。根据计算机的模拟,哪怕是海水盐度的微小稀释,比如格陵兰冰川的加速融化,也可能灾难性地扰乱这种循环。

海洋还帮了我们另外一个大忙。它们吸收了巨量的碳,并提供了一种很安全的固化方式。过去,人们觉得有一件事情很奇怪,太阳的亮度比它幼年时期已经提高了约 25%,这本该让地球变得热得多才对。但事实上,正如英国地质学家穆宁指出,“这种巨大的变化本该给地球带来绝对是灾难性的影响,但很明显,我们的世界似乎什么也没发生。”

那么,到底是什么保持了地球的稳定和宜人的温度?答案是——生命。数以万亿计的海洋微生物捕获了二氧化碳,随着雨水降落到了海水中。海洋微生物绝大多数我们连名字也没听到过,比如孔虫、球石、钙质澡等等,这些小东西利用碳制造了自己小小的壳。正是这些壳固化了二氧化碳,避免了二次排放到大气中形成有害的温室气体。

最终,这些孔虫、球石等等海洋生物死去并沉入海底,被压成石灰岩。要是你去到英格兰的多佛尔(Dover),看一下那里的白色峭壁,那可几乎全部都是由微小的海洋微生物的尸体形成的,大自然的鬼斧神工会让你震撼。但当你意识到这里累积了多少的碳时,你会真正感到不可思议。一块砖头大小的多佛尔白垩岩包含的碳,相当于 1000 多升二氧化碳包含的碳,这些二氧化碳要是留在大气中,可不是什么好事情。总的说来,固化在地球岩石中的碳是大气中的 8 万倍。最终,石灰岩又会成为火山的喷发物,于是碳又回到大气中,然后又随着降雨落到地上。整个这样一个过程被称为“长期碳循环”。所花的时间确实是够长的,对一个碳原子来说,大约要花上个 50 万年。但这个过程却对保持地球气候的稳定至关重要,除非被什么其他外来因素所打乱。

遗憾的是,人类正在充当这个因素。我们不顾孔虫们是不是准备好了,放肆地向大气中排放着额外的碳。据估计,自 1850 年以来,我们已向大气中排放了 4000 - 4500 亿吨额外的碳,并且还在以每年 80 - 90 亿吨的速度增加。虽然,从绝对数量上来看,其实并不算太多。因为自然界每年向大气中排放的二氧化碳就有 1500 亿吨,主要是以火山和植物腐烂的方式,这是人类所有汽车和工厂排放量的 20 -25 倍。但是,我们的生态系统是敏感脆弱的。你只要看一眼城市上空中的雾霾,或许就能明白我们正在干什么?

我们从古老的冰样中得知,大气中二氧化碳的“原始”浓度,也就是在人类的工业活动之前的浓度,大约是每百万个空气单位中有 280 个单位值。到了 1958 年,也就是实验室中的人员开始注意到这个问题时,这个数字已经上升到了315。而到了 2018 年1 月,则超过了 408,每年的增长率约为 0.44%。估计到本世纪末,这个数字会增长到 582。地球的气候正在受到影响已经是一个不争的事实,会不会产生那种可怕的不可遏止的恶性循环,我们现在真的不知道。

到目前为止,是地球上的海洋和森林阻止了我们自己毁灭自己,森林也固化了大量的碳。但是,正如英国气象局的考克斯所指出的那样,“大自然的生态圈对我们的碳排放起到的缓冲作用是有一个临界点,一旦突破,反而会加速恶化。”他的担心是全球变暖如果过快,大批的植物会因为不适应而死去,释放出它们储存的碳,从而使问题更严重。这种恶性循环在过去没有人类参与的时候就曾发生过。好消息是,我们的大自然依然健在。几乎可以肯定的是,等人类全部消失后,最终大自然有本事自我重建碳循环,重新回到健康的稳定状态。上一次这样的重建过程,仅仅只用了 6 万年。

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