自轉,一個比地球還要古老的秘密

2020-12-04 天文在線

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當你看到關於颱風,或者一個熱帶風暴的報導,看到狂風席捲樹木和房屋時,問問你自己:「風的威力怎樣變得那麼大?」神奇的是,這個運動早在五十億年前就已經開始了,但是想要了解其中的原因,首先要了解自旋。

在物理中,我們會談到兩種運動:第一種是直線運動,即當你推動一個物體時,它會向前進;第二種,自旋,是一個物體的旋轉,也就是在原地繞它的軸線旋轉。一個直線運動的物體會永遠保持直線運動狀態,直到有外力(比如與地面的摩擦力),使它減慢速度,然後停止運動。物體旋轉時也是同樣的原理,它會一直旋轉,直到有東西使它停止。

但是與直線運動不同的是,自旋可以加快速度。我們舉個例子,如果一個滑冰運動員在冰面上直線滑行,然後收縮手臂,她會繼續以同樣的速度滑行;但是如果她在冰上旋轉,然後把手臂收緊,你知道接下來會發生什麼——她會旋轉加速——這也叫做角動量守恆定律。從數學的角度來講,角動量是兩個數的積,一個數是旋轉速度,另一個是該物體與定點的距離。由角動量守恆定律可知,當一個物體自由旋轉時,其中一個數據增大,另一個就會減小。當手臂收緊,旋轉加速,手臂張開,旋轉減速。

旋轉也會產生其它的效應,如果你在旋轉木馬上,向你的朋友扔一個球,它的軌道看上去是彎曲的,但其實,它並沒有彎曲,其實是直線運動,而你才是處在一個彎曲路線中的。但是從你的視角,拋出去的球看上去走彎路了——我們把這個稱作科裡奧利力。

你以為自己是靜止的,但你此時此刻,每分每秒都騎在一個旋轉木馬上。這個「旋轉木馬」就是地球——這個每天都繞它的軸旋轉一圈的球體。但是為什麼地球會旋轉呢?這就要從幾十億年前說起。

那時,太陽、地球,以及所有的行星都沒有形成,只有一團塵埃和氣體。這團塵埃和氣體在引力的作用下開始崩塌,注意,在它崩塌之前,這團星雲一直輕微地旋轉。所以在它崩塌時,就像滑冰運動員收緊手臂一樣,它旋轉得越來越快。

這團星雲後來構成得所有物體,包括太陽,還有圍繞太陽的行星和圍繞行星的月亮,都從原始星雲中得到了一定的旋轉,這個旋轉造成了我們的晝夜更替,也造成了氣候變化。造成地球的白天一側是暖和的,黑夜一側涼爽一些,造成赤道比兩極更加暖和。不同的溫度形成了不同的氣壓,而氣壓之間的差別使空氣流動,風就產生了。

由於地球在不停地旋轉,造成科裡奧利力的存在,在北半球,流動的空氣向右偏轉,在南半球則向左偏轉。如果在大氣層中有一片低壓區域,空氣就會被推動到那裡,就像水流進排水孔一樣。我們想像一下,暴風雨中有極度的低壓,空氣就會一直向中間流動,所以旋轉得越來越快,這就是為什麼颶風吹得那麼猛烈。所以,當你在天氣預報中看到暴風雨,請想一想:這個旋轉最終來源於地球的旋轉,而地球的旋轉只是殘存的遺蹟,是五十億年前,那團崩塌後構成地球的輕微旋轉的塵埃和氣體留下的。你所看到的旋轉,它的歷史比比塵土還要古老,比巖石還要古老,比地球本身還要古老。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Gabriella Hu- Luyao Zou-粒子

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