科里奥利力与地转偏向力

科里奥利力与地转偏向力

一、问题提出：

在中学阶段学习地理知识时我们学到了地转偏向力，认识到地转偏向力是因为地球自转而产生的，是一种能促使地表水平运动物体方向产生偏转的力，而且地转偏向力与科氏力有关.但是当时一直无法理解地转偏向力的实质：地转偏向力是不是就是科里奥利力？还是科里奥利力的水平分量？是不是只有沿经线运动才受地转偏向力影响？在学习了大学物理惯性力的相关知识后我决定对当年的疑问展开探究。

二、两种惯性力: “离心惯性力”与“科里奥利力”

牛顿第二定律适用的范围是惯性系. 当地球自转对我们研究的问题影响很小时, 可以认为地面是惯性系. 但地转偏向力的成因恰恰是地球自转造成的, 此时地面为非惯性系. 如果选取地轴作为参考系, 忽略地球公转对问题研究的影响, 地轴可近似认为是惯性系. 而地面是相对于惯性系做匀速转动的非惯性系.在非惯性系中, 牛顿第二定律是不成立的. 如果要在非惯性系中继续应用牛顿第二定律来研究问题,则需要人为引入惯性力. 而离心惯性力、科里奥利力都是惯性力.

由图可知，离心惯性力是沿半径方向背离圆心的,

而科里奥利力沿切线方向, 与参考系旋转方向相反. 两

种惯性力根本不同, 而在中学地学的学习过程中我们常

常把二者混为一谈。

三、沿经线运动的物体所受地转

偏向力

北半球某物体沿经线由 A 点向 B 点运动, 在物体

运动期间 A、B 两点随地球自转移动到 A ′B ′位置;

从 A 点到 B 点地面上各自转线速度( 沿纬线方向速度)

逐渐增大, 而物体沿纬线方向的速度始终保持在 A 点处时的大小,因此物体移动过程中将不断落后, 向右偏离原来所在经线, 最后到达 B’点右侧的某一位置. 反过来, 如果物体沿经线由 B 点向 A 点运动,由于从 B 点到 A 点自转线速度逐渐减小, 那么物体在移动过程中仍然将不断向右偏离原来所在经线, 最后到达 A ′点右侧的某一位置.

同理可证, 南半球沿经线运动的物体将向左偏.近地表物体沿经线运动的情况, 与物体在旋转圆盘上沿径向运动的情况是同一类型. 这种情况下物体所受的惯性力是科里奥利力.

四、沿纬线运动的物体所受地转偏向力

以地面为参考系, 物体处于平衡状态, 因此必须引入离心惯性力 f*c , 这样, 万有引力 F、地表对物体的作用力 FN以及离心惯性力 f*c 三力平衡, 如左下图所示, 使物体相对于地面保持静止. 万有引力 F、地表对物体的作用力FN 都是物体实际受到的作用, 都有施力物体, 而离心惯性力 f*c 是人为引入的, 其作用就是使得牛顿定律在非惯性系中依然适用. f*c = mw^2r （其中 w 是地球自转角速度, r 是物体所在纬线圈的半径.）

假设物体沿纬线自西向东相对地面以速度 v 相对匀速运动. 那么, 物体绕轴做圆周运动的实际角速度增加,由于离心惯性力f*c = mw^2r , 所以f*c 必将增加, 成为 f*c ′ .在地面上看, 万有引力 F、地表对物体的作用力 FN 以及离心惯性力 f*c 三力不再平衡. 离心惯性力多了个增量△ f*c = f*c’ - f*c , △f*c与 f*c 方向相同.我们可以把△f*c 分解为与地表垂直和水平的两个分量. 如果物体所在纬度为 , 不难看出, 其中的水平分量△ f*c sin 就是我们所探讨的水平方向的地转偏向力. 这个力垂直于物体速度方向,水平向右, 如右上图所示. 当物体沿纬线向西运动时, △ f*c 与 f*c 方向相反, 指向地轴, △f*c 的水平分量△f*c s in 仍然是垂直于物体速度方向水平向右的.

同理可证, 在南半球, △f*c sin 是直于物体速度方向水平向左的.沿赤道运动的物体, △ f*c sin 的水平分量永远等于 0 .在右上图中，f*d=△ f*c sin ，即把沿纬线运动时的地转偏向力记做了f*d

五、斜穿经纬线运动的偏向是上述两种成因不同的偏向

现象的叠加

由速度的合成原理可知, 近地表物体的水平运动速度均可分解为沿经线的运动和沿纬线的运动; 这两种运动所造成的偏向趋势虽然是相同的, 但是产生原因是不同的.

为了更便于理解，查阅出地转偏向力的大小公式：（见如下截图，其中为纬度,A为地转偏向力的大小）

六、结论

总的来说, 认为地转偏向力就是科里奥利力是不准确

的. 只有沿经线运动物体的地转偏向力才是科里奥利力.

而沿纬线运动物体的地转偏向力是离心惯性力沿地表的一

个分力

七、地转偏向力与三圈环流的形成

明白了地转偏向力的实质，我们便可以理解中学阶段难以理解的三圈环流的形成过程：从北半球来看（不考虑下垫面），赤道地区上升的暖空气，在气压梯度力作用下，由赤道上空向北流向北极上空（南风），受地转偏向力影响，由南风逐渐右偏成西南风，到30°N 附近上空时偏转成了西风，来自赤道上空的气流不能再继续北流，而是变成自西向东运动。由于赤道上空的空气源源不断地流过来，在30°N附近上空堆积，产生下沉气流，致使近地面气压升高，形成副热带高气压带。近地面，在气压梯度力作用下，大气由副热带高气压带向南北流出。向南的一支流向赤道低压，在地转偏向力影响下，由北风逐渐右偏成东北风，称为东北信风?东北信风与南半球的东南信风在赤道附近辐合上升，在赤道与副热带地区之

间便形成了低纬环流圈。近地面，从副热带高气压向北流的一支气流，在地转偏向力的作用下逐渐右偏成西南

风即盛行西风。从

极地高气压带向南

流的气流（北风）

在地转偏向力影响

下逐渐向右偏形成

东北风，即极地东

风。较暖的盛行西

风与寒冷的极地东

风在60°N附近相

遇，形成锋面（极

锋）。暖而轻的气流

爬升到冷而重的气

流之上，形成了副

极地上升气流。上

升气流到高空，又

分别流向南北，向南的一支气流在副热带地区下沉，于是在副热带地区与副极地地区之间构成中纬度环流圈;北的一支气流在北极地区下沉,是在副极地地区与极地之间构成了高纬度环流圈。由于副极地上升气流到高空便向南北流出,使近地面的气压降低,成了副极地低气压带。同理，南半球同样存在着低纬、中纬、高纬三个环流圈。因此，在近地面，共形成了7个气压带、6个风带。

八、其他地转偏向力实例：

1. 在运动场的椭园形跑道上,规定比赛时要逆时针跑·这是为了运动员进入弯曲的跑道时，地转偏向力可以抵消一部分离心，可以减小运动员身体的倾斜角度,于是速度快,却不易摔倒。

2. 热带气旋(北太平洋上出现的称为台风)的形成也受到科里奥利力的影响。驱动热带气旋运动的原动力是一个低气压中心与周围大气的压力差，周围大气中的空气在压力差的驱动下向低气压中心定向移动，这种移动受到科里奥利力的影响而发生偏转，从而形成旋转的气流，这种旋转在北半球沿着逆时针方向而在南半球沿着顺时针方向，由于旋转的作用，低气压中心得以长时间保持。

3. 在北半球,河流冲刷右岸,洋流右偏,台风路径的偏向西北,人造卫星起飞的西偏,火车右轨耗损大。