細心的朋友在世界地圖的平面圖上,瀏覽飛機的航線時,會發現一個「奇怪」的現象,那就是飛機在近似緯度的城市之間飛行時,其航線並非與緯度線吻合,在北半球要向北偏移,在南半球要向南偏移。而在我們的印象中,沿著緯度線飛行應該是最短的距離,為什麼飛機的航線不按照這樣來設計呢?
其實這是我們對地球上兩點間距離的一種慣性思維。由於地球是一個球體,而我們平常看到的地圖,除了地球儀之外,只要是在一張平面上展現的地圖,必須要運用一定的投影方式,將原本處於球體上的點位「定位」到同一個平面上,這樣就不可避免地產生一定的形變和失真。
比如,目前世界上應用最廣的投影方式是墨卡託投影,它是在1569年比利時人墨卡託為了解決航海航線問題所創造的一種投影方式,其主要方法為假設一個與地軸方向完全一致的圓柱體與地球的赤道相切,按照等角的條件,將地球的經緯網投影到圓柱面之上,再將圓柱面展開為一張平面圖,即可得到墨卡託投影地圖。
由於這種投影方式是以等角為條件,因此也叫做等角正切圓柱投影。在這種投影之下,地圖上任意兩點如果連成直線,那麼沿著這條直線航行,其無論是陸地還是海洋,其輪廓投影之後的角度都不會發生變化,因此可以不發生方向的偏離而到達目的地。
但是,該投影下的平面地圖,會使區域的面積發生變化,而且這種變化的幅度在不同地區還有所差別,比如在南北回歸線以內的區域拉伸的幅度較小,隨著緯度的增大,特別是南北極圈區域拉伸的幅度將越來越大,這也造成了我們在這種投影下的地圖,其中的南極洲、格陵蘭島的面積與實際高出很多倍。所以,我們在常用的墨卡託投影地圖下,看到的在中高緯度沿著緯線行進的飛機航線,比實際上要拉伸出很多,感覺像是一個弧度很大的曲線,然而實際距離並沒有這麼誇張。
那麼,影響著飛機飛行航線的因素其實有很多,距離只是一個方面,通常情況下都會沿著兩點之間最短的距離來設計。我們先從這個地球表面兩點的最短距離來看,如果飛機沿著緯度線方向行進,那麼這個路線所對應的弧線,將是以平行於赤道平面的緯度平面中心點為圓心、半徑為緯度圍成圓的半徑,弧線的長度還取決於在該緯度平面上所行經的交角。比如,從北京飛往美國華盛頓,如果沿著緯線飛行,其飛行的總長度將在14300公裡左右,這個距離實際上並非這兩個城市的最短距離。
如果我們以地球的球心為中心,依次連接北京和華盛頓,然後在這三個點所構成的平面上,沿著地球的表面劃一個弧線,那麼這個弧線與兩點之間的緯度線相比,從我們的慣性思維以及墨卡託投影地圖上來看,肯定會偏北方向航行,然後再「折返回來」。不過,我們通過計算,在以地球中心為圓點的扇形狀態下,從北京至華盛頓的弧線飛行距離僅為11000公裡左右,要比沿著緯度線飛行節省了3000多公裡的路程。
此外,對於長途飛行的航班來說,在空中飛行的過程中,會遇到各種突發和不利狀況,比如不穩定的氣流、惡劣天氣、雷電等氣象因素以及加油續航、零部件故障等飛機自身問題,而且飛行的路程越長,上述問題出現的機率就會越大。如果從北京向華盛頓沿著緯度線飛行,那麼中間所經過的地球表面,大部分都會是海洋,一旦過程中出現較難解決的問題,或者燃料不足等問題,需要緊急降落或者停經加油,在海洋上面是無能為力的。
而沿著剛才提到的偏向北航行的路線,則飛機下面的地表,大部分為陸地,只有中間一小部分為白令海峽附近的海域。因此,我們可以看出,之所以從北京飛往美國的航班(中高緯度地區相近緯度城市間的航行也大都如此)的航線要向北「偏折」,一方面正是減少旅程長度的需要;另一方面是出於提高安全性的需要,畢竟航線下面基本都是陸地,一旦有突發狀況,可以適時選擇恰當的地點進行降落調整。