12.08 自转,一个比地球还要古老的秘密

当你看到关于台风,或者一个热带风暴的报道,看到狂风席卷树木和房屋时,问问你自己:“风的威力怎样变得那么大?”神奇的是,这个运动早在五十亿年前就已经开始了,但是想要了解其中的原因,首先要了解自旋。

自转,一个比地球还要古老的秘密

自转,一个比地球还要古老的秘密

在物理中,我们会谈到两种运动:第一种是直线运动,即当你推动一个物体时,它会向前进;第二种,自旋,是一个物体的旋转,也就是在原地绕它的轴线旋转。一个直线运动的物体会永远保持直线运动状态,直到有外力(比如与地面的摩擦力),使它减慢速度,然后停止运动。物体旋转时也是同样的原理,它会一直旋转,直到有东西使它停止。

自转,一个比地球还要古老的秘密

但是与直线运动不同的是,自旋可以加快速度。我们举个例子,如果一个滑冰运动员在冰面上直线滑行,然后收缩手臂,她会继续以同样的速度滑行;但是如果她在冰上旋转,然后把手臂收紧,你知道接下来会发生什么——她会旋转加速——这也叫做角动量守恒定律。从数学的角度来讲,角动量是两个数的积,一个数是旋转速度,另一个是该物体与定点的距离。由角动量守恒定律可知,当一个物体自由旋转时,其中一个数据增大,另一个就会减小。当手臂收紧,旋转加速,手臂张开,旋转减速。

自转,一个比地球还要古老的秘密

旋转也会产生其它的效应,如果你在旋转木马上,向你的朋友扔一个球,它的轨道看上去是弯曲的,但其实,它并没有弯曲,其实是直线运动,而你才是处在一个弯曲路线中的。但是从你的视角,抛出去的球看上去走弯路了——我们把这个称作科里奥利力。

你以为自己是静止的,但你此时此刻,每分每秒都骑在一个旋转木马上。这个“旋转木马”就是地球——这个每天都绕它的轴旋转一圈的球体。但是为什么地球会旋转呢?这就要从几十亿年前说起。

自转,一个比地球还要古老的秘密

那时,太阳、地球,以及所有的行星都没有形成,只有一团尘埃和气体。这团尘埃和气体在引力的作用下开始崩塌,注意,在它崩塌之前,这团星云一直轻微地旋转。所以在它崩塌时,就像滑冰运动员收紧手臂一样,它旋转得越来越快。

自转,一个比地球还要古老的秘密

这团星云后来构成得所有物体,包括太阳,还有围绕太阳的行星和围绕行星的月亮,都从原始星云中得到了一定的旋转,这个旋转造成了我们的昼夜更替,也造成了气候变化。造成地球的白天一侧是暖和的,黑夜一侧凉爽一些,造成赤道比两极更加暖和。不同的温度形成了不同的气压,而气压之间的差别使空气流动,风就产生了。

自转,一个比地球还要古老的秘密

由于地球在不停地旋转,造成科里奥利力的存在,在北半球,流动的空气向右偏转,在南半球则向左偏转。如果在大气层中有一片低压区域,空气就会被推动到那里,就像水流进排水孔一样。我们想象一下,暴风雨中有极度的低压,空气就会一直向中间流动,所以旋转得越来越快,这就是为什么飓风吹得那么猛烈。所以,当你在天气预报中看到暴风雨,请想一想:这个旋转最终来源于地球的旋转,而地球的旋转只是残存的遗迹,是五十亿年前,那团崩塌后构成地球的轻微旋转的尘埃和气体留下的。你所看到的旋转,它的历史比比尘土还要古老,比岩石还要古老,比地球本身还要古老。

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. Gabriella Hu- Luyao Zou-粒子

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