南北半球水旋方向为什么不同?

吴  志


上世纪四十年代科学家卡皮罗发现,拔掉洗漱池中的排水塞后,北半球的水是逆时针转的,南半球是水是顺时针转的。后来人们用科里奥利力来解释这一现象,这是一种虚构的力,没有陈述清楚,也没有解释清楚,只是认为地球自转使南北半球形成了不同的偏转力,看起来似是而非,没有说明白原理在哪里。

应从水体和水流的受力情况来分析。这样更准确一些,毕竟地球转与水流走是两回事。在这里给出三种解释,角度不同,解释不同,就好像站在不同角度描述同一事物,看似描述不同,其实本质一样,各种解释是有关联的,其中一种是最合理的解释,读者各取所需吧。

1.第一种解释

这是参考并改良科里奥利力进行的解释,这样能说得更明白一些。地球在自转过程中,各纬度的线速度是不同的,赤道速度最高,越靠近两极速度越低。在北半球的一池水,也有南北之分,水被地球带着转动,南端的水比北端的水转得快些,快水挤压慢水,这样就有一个逆时针的力作用到水分子中,可以称为水应力,意思是水分子都有向逆时针方向转的趋势,但转不起来或感觉不到,因为水流被四壁阻挡,拔掉排水塞后水就逆时针转了。在南半球则是顺时针转,原理是一样的。

不过,在一小池水中纬度相差是很少的,少到几乎可以忽略不计,但原子和亚原子粒子是敏感的,能感觉到微小的转速差异,它们的运动速度也有微小不同,无数粒子的运动差异叠加在一起,那就是一股不可忽视的力量了。在北半球,水有左旋的扭力;在南北球,水有右旋的扭力。即使再微小,也是1与0的关系,天平会向1倾斜。

   

问题是,这种解释还不能令人满意。第一,感觉这种扭力不应有那么大,我们看到的水旋速度是比较快的。因此,除了这种微小的扭力之外,还应有其他力起了作用。或者,根本就不是利里奥利力在起作用,而是其他力在起作用。第二,靠近赤道的水快,靠近两极的水慢,形成快水挤慢水。这种说法不一定能成立,慢水压强更大,快水压强更小,被挤的应该是快水。

有些自然现象解释不了,是因为科学没发展到那个高度,科学原理还未被科学家发现,那就解释不了某种自然现象了。

2.第二种解释

我有篇文章《地磁的形成》,对地球磁场进行了解释,认为南北两极磁场是电子云集与质子(或正离子)云集,两极有磁引力,能对地球物质产生引力。这同一条磁铁一样,两端是电子云集与正离子云集,从而形成了较强的磁引力,磁铁中段是没有磁引力的,只有可以忽略不计的万有引力,因为中段是普通原子,磁引力与磁斥力中和了。

磁引力与万有引力都来自粒子之间的引力,对于地球来说是来自质子与电子之间的引力,这也是电荷之间的引力。磁引力比万有引力更强,因为磁引力来自裸露质子或裸露电子,万有引力是质子引力被外围电子吸收后的剩余引力,这种引力能吸引相邻原子外围的电子,这是地球分子能够形成的基础。不过,地球质量很大,两极电荷较少,总体上是万有引力大于磁引力,但也不能忽略磁引力。地球两极磁引力方向是弧形的,在两极之间呈弧状分布,与地球表面弧度大体相符,这也就是磁力线的方向,因而磁引力能对地表物质形成水平方向的拉力。

地球引力最强是两极,因为有磁引力与万有引力叠加;引力最弱是赤道,因为只有万有引力,没有磁引力。人到赤道重量也会轻些,尽管赤道半径比极半径更长,按理引力应更大,实际上相反。有人用离心力与向心力来解释,那只是问题的一个方面。

由于距离较近,北半球的水受到北极的磁引力大些,受到南极的磁引力小些,冲抵之后等于北极有一个拉力,这是北向水应力。同样道理,南半球的水受到南极的磁引力大些,受到北极的磁引力小些,冲抵后等于南极有一个拉力,这是南向水应力。

除此之外,地球由西向东自转,带着水往东转,一般认为水是向东流的。甚至有学者说,南北向的河流东岸受到的水流冲击更大,南北向的铁路东侧铁轨受到的压力更大。不过,我的看法刚好相反。我认为水是由东向西流的,或说有一个由东向西的水应力。为什么?我们站在公交车上,汽车起步时人是向后仰的,坐在椅子上是椅背推着我们向前和座垫拉着我们向前,这意味着人是向后运动的。若不是一个人而是一池水呢?水的向后运动更明显,因为液体具有流动性。汽车进入匀速行驶,车载水走,水跟车走,但水总是迟半拍,水应力还是存在的,向后流动的趋势不变,只是没那么明显了。好比把一个篮球放在车上地板,篮球肯定是向后滚动的。另外,地球的自转不是绝对匀速的,受内部运动、太阳引力和行星引力的影响,太阳活动是不断变化的,行星方位是不断变化的,因此地球自转的动力时大时小,自转速度也时快时慢,这就决定了水应力的存在。

水应力的存在,还可以从木星的色带得到证实。木星外层是厚实的气态物质,但木星比重比水还大33%,因此可以把木星看成是液态的。木星引力很大,经常有陨石落入木星,陨石有不同成分和不同颜色,落入木星后就形成一个色斑,木星由西向东自转,色斑被木星自转拖着走,总是落后半拍,或说是向木星自转的相反方向流动,假以时日就拉成一条色带了,这是木星色带的来源。如果是完全同步的,就不可能存在色带(参见另一篇论文《木星表面是一片火海》)。只要液体向自转相反方向流动,就存在“液应力”。

不过,说地表水是由东向西运动的,也不够科学和准确,还缺少一些前提。运动是相对的,地表水是向东还是向西运动,得看以什么作为参照物。当人站在地球之外,以旁观者的眼光来看,那么地表水是由西向东流的,被地球带着高速旋转;当人站在地球上,以地球的角度来看,地球是由西向东运动的,水是由东向西运动的。因为地球自转永远比水快,这意味着水是由东向西流的。在洗漱池中做实验,要看的是水池与水的相对运动,也就是地球与水的相对运动,这就意味着水是由东向西流的。推而广之,地表水都是这样运动的。

以上说的是静水,那么江河水呢?当然也存在,即使江河由西向东流,水应力还是存在的,有一种由东向西流动的力,只是被江河的运动抵消了,感觉不到这种力的存在。

行文至此,可以发现北半球的水在水平方向受两个力,一个是向北的拉力,一个是向西的推力。正是这两个力的存在,再加上水的重力,使池水发生了逆时针旋转。

  

图中大圆表示水池,小圆表示排水孔。这池水静止时主要有三种力,一是向北的拉力,二是向西的推力,三是向下的重力。当排水孔打开后,起主要作用的是重力,水会垂直下漏,水面上是没有旋涡的。当水位下降到一定程度,重力就不起主导作用了,转为水平方向的力起主导作用。

那么,是哪个方向的水优先进入排水孔呢?a方向的水被推到西边,不可能优先进入排水孔;c方向的水被拉到北边,也不可能优先进入排水孔;b方向的水被往西边推,具有优先权;d方向的水被往北边拉,也具有优先权。那么,b与d谁更先?当然是b更优先,因为地球自转速度非常快,赤道线速度是每秒466米,纬度高些也慢不了多少,这个速度施加给水的应力是很大的。d虽然受到北极的拉力,但这种拉力相对较弱,还给南极的拉力抵消了一部分。

因此,b方向的水优先进入排水孔。当这个方向的水位下降后,在重力作用下两旁的水填充进来,c方向的水被拉到池壁,就像被吸在池壁一样。d方向的水原来是被前后左右的水顶住的,现在东北方向的水位下去了,在重力作用下向东北方向流动,形成了逆时针的流动方向,在这个推力的作用下,整池水就逆时针转起来了,于是逆时针水旋形成了。当然,水位差不是肉眼能辨别的,只有水分子能感受到。南半球的水旋是顺时针转的,原理一样,不用解释了。

不仅洗漱池中的水是这样旋转的,江河湖泊中的水也是这样旋转的,地球大气也是这样旋转的。比如,北半球的台风都是逆时针旋转的,从卫星云图看就很明显。不过,在江河中由于河床、河岸、水流和障碍物的复杂,也有可能形成反方向水旋。但只要是静水,就一定会按规则旋转。那么在赤道的水是怎么旋转的?有学者做了实验,说是垂直下漏的;也有学者做了实验,说是左旋与右旋各占一半概率。谁对谁错留给大家验证吧。

在赤道上,向西水应力是存在的,当水位下降到一定程度,也是应该东水西流,优先进入,随后两旁的水填补进来。不过,很难找准赤道的平衡点,即使在赤道上,南北极的拉力也不意味着就是平衡的,地理上的平衡点不等于磁引力的平衡点。因此,有微弱左旋或右旋也是正常的,没有也是正常的。这么看来,是否去求证就不重要了。

大气中的台风和江河中的水旋,它们下面没有一个排水阀,为什么还会像洗漱池那样旋转呢?大气层是很厚的气体,是不断流动变化的,有上下运动和水平运动,当海平面出现一个低压区时,高空冷空气向下流动,这就等于下方有一个排水阀吸水了,于是北半球的台风就逆时针旋转起来了夏天有些小海岛在炽热太阳烘烤下气温很高,最容易形成低压区,台风往往起源于这些小海岛。菲律宾、印度尼西亚都是小海岛众多之处,那里也是台风起源较多之处。台风周围的气压是不同的,台风会向低压区运动。陆地上方空气受地表阳光反射,地表高温空气也会上行,因而大陆空气温度较高,气压较小,于是台风往往选择向大陆方向运动。进入大陆不远台风就消失了,因为周围的气压都差不多,台风也就失去方向了。有较多水蒸气之处容易形成台风,有水蒸气共舞力量才足够大。

河流中的水旋稍复杂一些,靠近河床的水流遇障碍物受阻,比如遇到一块大石,遇到河床收窄,下方的水流会加速,压强变小,上方的水下沉,这就等于下方有一个排水阀吸水了,于是河水转起来形成水旋。另外,遇到河床下沉,像台阶或斜坡那样,河水也会下沉,也有可能产生旋涡。当然,有时水旋是由岸边的地形地物造成的。

认识自然是为了利用自然。比如,抽水马桶的设计,为了增加冲刷效果和节约水量,往往设计成旋涡水流,若是在北半球就应设计为逆时针旋转,若是在南半球就应设计为顺时针旋转,这样可以向大自然借力,如果与大自然对着干,那是事倍功半,不仅冲刷效果不好,还增加了用水量。修筑水坝也要考虑水应力——这是在本文中提出的新概念,向西的水应力最大,向北的水应力其次,若是大坝朝向这两个方向,就要更坚固一些了。幸好,中国的长江、黄河和珠江三大水系,都是由西向东流,在上面修筑的水坝,只需承受江水冲击力和静水张力,无需承受水应力,包括向西、向北的水应力,向西的水应力还起到减压作用,所以中国的大型水坝相对安全。

中小水坝被冲垮的事件有很多,尤其六七十年代中国建的中小水坝,或多或少存在水应力,洪水来了承受不了更大的水压力和更大的水应力,也就垮塌了。如1975年8月一场暴雨,河南驻马店就有62座水坝垮塌,其中2座大型(按当时标准),2座中型,58座小型,伤亡惨重,损失巨大。这些水坝都是水利专家和工程技术专家设计出来的,一夜之间垮塌了,可能与没考虑到水应力有关。一座水库承受不了一场大雨,这是说不过去的;所有水库都承受不了一场大雨,这更是说不过去的。即使水漫坝也不应垮塌,对不对?肯定是在力学理论上出了问题。驻马店主要有四条河流,汝河、小洪河是从西北流向东南,臻头河是从西南流向东北,泌阳河是由东往西流,其中泌阳河上的水坝水应力最大,其他河流的水坝都有水应力。是否有水应力,可根据江河流向判断:

由西向东流,水坝无需承受水应力;

由东向西流,水坝要承受向西水应力;

由北向南流,水坝无需承受水应力,可获向北水应力减压;

由南向北流,水坝要承受向北水应力;

由西北向东南流,水坝无需承受水应力,可获向西、向北水应力减压;

由东南向西北流,水坝要承受向西、向北水应力;

由西南向东北流,水坝要承受向北水应力,可获向西水应力冲减;

由东北向西南流,水坝要承受向西水应力,可获向北水应力冲减。

但要具体情况具体分析,因为河流走向是迂回曲折的,甚至出现九十度或一百八十度转向,变一个方向就不一样了。主要是给水库标一个向北应力和向西应力,这样就可以判断是受力还是冲减了。有些水坝是弧形的,水应力是必然存在的。额外承受水应力不一定就垮坝,可能平时相安无事,突然下一场罕见暴雨,预留安全余量不多的就有可能垮坝。

对于一个水系来说,支流方向通常与主流方向成九十度角,这意味着要么主流有水应力,要么支流有水应力。如长江主流由西向东流,但长江主要支流赣江、湘江、汉江、乌江、嘉陵江、涪江、沱江、岷江、雅砻江都是南北走向的,或往南流,或往北流。

然而,南北磁极是否确定对地表水有引力?在《地磁的形成》一文中已经说清楚了,现在再简单说一下。在《地磁的形成》中有个实验,证明北极是质子极,南极是电子极,这是太阳风下落不均匀造成的,北极落下的质子多一些,南极落下的电子多一些,原因有待继续探索。

由于地球物质外围都有电子,北极质子聚集区就对所有物质形成较强引力;由于地球物质都有原子核,原子核能吸引周围的电子,让原子变成正离子,或让两个或多个原子结合成分子。不然,这个世界不可能有分子存在。当南极有一个密集的电子聚集区时,就对地球所有物质形成较强的引力。可见,南北极的磁引力就是这么来的。水中有大量的氢,北极质子要抢夺氢外围的电子,也就把氢拉过去了;水中有大量的氢核,南极电子要抢夺氢核,也就把氢拉过去了。实际上是把整个水原子和水分子拉过去。你拉椅子一个脚,过去的不是脚,而是整把椅子。当然,水中的氧也被两极拉扯和争夺。水离哪极近,哪极占优势。

从以上分析可知,磁对地球所有物质都有吸引力。这是可以用实验证实的,拿一把塑料梳子(可能牛角的更好),用布上激烈摩擦几十秒,然后把梳子接触两三毫米大小的报纸片,就把小纸片吸附到梳子上了。因为摩擦把梳子外围的一些电子磨掉了,出现自由电子和正离子,靠近纸片时就把纸片吸附过来了,梳子变成了一块能吸纸的人造磁石。


虽然磁对所有物质都有引力,但似乎对结构松散的物质引力较大,因为容易把这些物质电离,即把电子推开或拉走,让原子核直面电子。磁对铁、钴、镍有较大引力,这三种物质原子序数是262728,化学性质也相似,都属于比较活跃的金属。总的来看,磁引力与双方的电性结构有关,磁与被吸物质碰到一起,能引起彼此抢夺对方的电子,你抢我夺就把双方的距离拉近了。

铁是很活跃的物质,能与大气中的氧发生化学反应,生成让人讨厌的铁锈,说明结构松散,所以磁对铁引力很大;黄金结构稳定,一般不与周围物质发生化学反应,所以磁对黄金引力较小。

石头和木头属化合物,几乎所有化合物都是稳定结构,既然能结合在一起,说明有很强吸引力,别人就很难抢走了。在常温下一般不与周围物质发生化学反应。因此,用磁吸石头和木头,肉眼看不到引力在哪里,实际上还是有引力的,只是太微弱了,因为磁不能把石头和木头的电子推开或拉走。

水也是化合物,也是一种稳定结构,人类总想把水中的氢提取出来,需要费九牛二虎之力,得不偿失,能耗太大。因此,磁对水的引力也感觉不到,不过水有两个特性可以放大磁引力:一是有流动性。月球对地球所有物质都有引力,唯独对水的引力能感觉得到,就是因为水具有流动性。二是体量巨大。水是大洋大海大湖大江,无数水分子被牵引后累加,形成的水应力就不可忽视了。比如,水库中的水应力。

由于磁引力能解释南北半球的水旋方向,可以认定《地磁的形成》一文中的基本观点是真理。

3.第三种解释

地球是围绕着自转轴由西向东转的,这就导致一个有趣现象:从北极上方看地球是逆时针转的,从南极上方看地球是顺时针转的,看似矛盾的现象统一在一个事物中。这是因为看问题的角度不同,如果从南极上方穿透地球看北极自转,则同南极一样,是顺时针转的;如果从北极上方穿透地球看南极自转,则同北极一样,是逆时针转的。

但我们观察事物,不能穿透物体,只能透过空间,不得不从物体的这面看一下,从物体的那面看一下,这就形成了不同角度。看洗漱盆中的水,也是从上往下俯视的,等于从两极上方看。如果你钻到洗漱盆下面往上看,水流转动的方向刚好相反,从上面看是逆时针的,从下面看就是顺时针的。就好比从北极看人是站着的,从南极透过地球看人是倒立的。因此,可以认定,洗漱盆中的水旋都是一个方向的,只是在南北半球看起来方向相反了。

地球上的水都是由西向东转的,旋转方向取决于观察点。站在北极上方,水流方向是逆时针的,就像拿一根筷子在北极圈逆时针搅动一样,水被搅着转;站在南极上方,水流方向是顺时针的,就像拿一根筷子在南极圈顺时针搅动一样,水被搅着转。

水被搅动向东运动时会遇到前方阻力,或来自水的阻力,或来自四壁的阻力,遇阻后会向南北两个方向流动,向哪边流动呢?只能向着被搅动的方向流动,也就是半北球向北流,这就形成了逆时针的扭力;南半球向南流,这就形成了顺时针的扭力。表现在巨大的气旋和水旋上,气旋包括台风、云流等;水旋观察不到,在南北半球应该有顺时针和逆时针的暗流,有待科学研究证实,原理同气旋一样。至于人类观察到的洋流,发生机制不同,主要是由海风、海水密度和海水补偿造成的,密度包括盐度和热胀冷缩等。

这种气旋和水旋,直径为几千公里左右,北半球是逆时针,南半球是顺时针。那么发生的洗漱盆中的水旋怎么解释呢?这盆水也是被地球自转搅动的,在北半球是被逆时针搅动,遇到盆壁就转起来了。当然,静水阻力太大,盆壁、盆底和水之间都有阻力,水是转不起来的,或说不能被人类观测得到,只表现为一种静力或扭力,当水塞拔掉后就逆时针转起来了。在南半球则是顺时针转起来。

木星的密度比海水还高,是可以视为液体的,由此推断地球的海洋也有这种大水旋,直径是几千公里左右。当然,尺度比木星气旋小很多。无论什么行星或卫星,表面的气体或液体都有这个规律。

行文至此,南北半球的水旋方向就解释清楚了,尽管有三种解释,但内在原理是大同小异的,可以接受自己能理解的一种方式。第三种解释似乎与第二种解释中的水应力有矛盾,其实并不矛盾,现在解释一下这个问题。

地球是由西向东自转的,地表水是被地球带着转的,由于是液体转动慢半拍,但仍是由西向东转的。这么说,在一个游泳池中,由东向西的水应力不存在了?当然存在。泳池西壁在推着这池水呢?池壁是固体,与地球同步,把水向东推,水给它一个后坐力,或说反作用力,这就是水应力了。如果只看水,不看壁,那是不存在后坐力或水应力的。在第三种解释中,就是只考虑水流的运动方向。


                    

                          2018年4月20日

 


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