Страница 22 из 33
Рис. 5.7 – Мяч, брошенный в сторону противоположную вращению карусели, с точки зрения разных наблюдателей
(а) – точка зрения взрослого рядом с каруселью: мяч неподвижен, карусель вращается под ним, пока не сделает полный оборот.
(b) – точка зрения ребенка на карусели: карусель кажется неподвижной, а мяч описывает ровный круг, прежде чем вернуться на то же место.
2. Действие этих сил на Земле
Мы видели, что земная поверхность не является инерциальной системой отсчета, когда рассматриваются крупномасштабные явления. Причина в том, что Земля вращается вокруг своей оси: это гигантская карусель, которая вращается по отношению к геоцентрической системе отсчета (которая является инерциальной)! Выводы, сделанные на примере карусели, можно перенести и на Землю.
Земля вращается с запада на восток: если мы посмотрим на Землю с Северного полюса, то увидим, что она вертится против часовой стрелки (➙ рис. 5.8). Это значит, что сила Кориолиса стремится отклонить движение объектов вправо, а сила переноса стремится вытолкнуть объекты «на край» (центробежная сила). Краем в данном случае является периферия, наиболее удаленная от оси вращения, то есть экватор.
Иными словами, если мы положим мяч на Землю во Франции, благодаря центробежной силе он покатится сам собой к экватору, то есть к югу. Если этого не происходит, то потому, что сила переноса слишком незначительна: в общем-то эта гигантская карусель вращается слишком медленно и делает оборот за двадцать четыре часа. Поэтому контакта с земной поверхностью, которая вовсе не является ровной и гладкой, достаточно, чтобы мяч остался на месте. На экваторе эта центробежная сила направлена вверх (что хорошо видно на рис. 5.8.а): то есть она отчасти компенсирует вес, сила которого направлена вниз, и один и тот же человек на экваторе должен будет весить меньше, чем на Северном полюсе. Так оно и есть, но и тут сила инерции так слаба, что ее действие большого влияния на вес не оказывает (человек с весом 60 кг будет весить на 200 г меньше на экваторе, чем на Северном полюсе, то есть разница в весе составит 0,3 %).
Рис. 5.8 – Центробежная сила Земли
Тем не менее этого достаточно, чтобы повлиять на форму самой Земли: радиус Земли на экваторе на 0,3 % больше, чем ее радиус на Северном полюсе, потому что там земные массы меньше сжаты собственным весом. Таким образом, Земля вовсе не является шаром, из-за центробежной силы она немного приплюснута с полюсов.
Все же основные последствия вращения Земли происходят от действия силы Кориолиса. В дальнейшем мы остановимся на ней подробнее.
Сила Кориолиса пропорциональна скорости рассматриваемого объекта, а чтобы эта сила возникла, объект должен перемещаться по земной поверхности. Более того, чтобы ее воздействие было ощутимо, необходимо, чтобы Земля совершила значительный поворот во время движения объекта: так происходит, если движение длится много часов подряд. Наконец, поскольку сила Кориолиса пропорциональна скорости объекта, ее могут затмить другие силы (например, трение), если скорость слишком медленная.
МАЯТНИК ФУКО
Поезжайте на Северный полюс и подвесьте шарик на веревке, прикрепленной к потолку вашего иглу. Толкните этот импровизированный маятник, он начнет качаться вперед-назад по вертикальной плоскости, которую мы назовем плоскостью колебаний.
Рассмотрим точку зрения геоцентрической системы отсчета: она инерциальная, а значит, силы инерции нет. То есть у маятника нет никаких причин отклоняться от плоскости колебаний.
Но в геоцентрической системе отсчета Земля вращается: она вертится против часовой стрелки (= на восток) под маятником, который двигается в пределах определенной плоскости (см. схему ниже). Вследствие чего по отношению к земной поверхности плоскость колебания мало-помалу смещается по часовой стрелке (на запад). К концу дня маятник опишет полный круг.
Это вполне логичное поведение есть не что иное, как проявление силы Кориолиса. Она проявляется не только на Северном полюсе, но и в других местах, несмотря на то, что там скорость вращения плоскости колебания ниже. Этот исторический опыт был проделан Фуко в парижском Пантеоне в 1851 г. Это было самой блестящей демонстрацией того, что Земля вертится вокруг своей оси, а не небесная сфера вращается вокруг Земли.
Маятник (двойная стрелка) изначально колеблется в сторону Парижа, но Земля под ним вращается, а плоскость колебания остается неизменной: по истечении примерно пяти часов маятник будет колебаться в сторону Нью-Йорка.
Все это объясняет, почему сила Кориолиса проявляется только при крупномасштабном и длительном движении, таком как океанские течения или движение воздушных масс.
Так, в Северном полушарии морские течения и ветра имеют тенденцию отклоняться вправо (потому что Земля при взгляде с севера вращается против часовой стрелки). В Южном полушарии течения и ветра отклоняются влево (если смотреть на Землю с Южного полюса, Земля вращается по часовой стрелке). Это создает обширные «зоны» вращения по часовой стрелке в Северном полушарии и вращения против часовой стрелки в Южном полушарии (➙ рис. 5.9).
Рис. 5.9 – Действие силы Кориолиса на ветра
ГОЛЬФСТРИМ
Движение ветров, показанное на рис. 5.9, можно также перенести и на морские течения. Самым знаменитым среди них, без сомнения, является североатлантическое течение: от экватора оно движется на запад, затем поднимается к северу, омывая побережье Флориды. Если бы не сила Кориолиса, оно достигло бы канадского берега и принесло с собой жару тропиков. Однако сила Кориолиса заставляет его отклониться к востоку, к берегам Европы. В результате Европа наслаждается мягким климатом, а Канаде приходится довольствоваться холодным течением с севера.
На рис. 5.9 хорошо видно, что эта сила оказывает значительное влияние на направление ветра: в межтропической зоне ветра направлены к западу, это пассаты. В умеренной зоне они скорее направлены к востоку. Это западные ветра, которые мы так хорошо чувствуем в Европе.
Разумеется, в этом движении участвуют и другие силы, которые его усложняют. В том, что касается морских течений, тут играют роль очертания континентов, заставляющие течения поворачивать в ту или иную сторону. Что касается ветров, они возникают и меняются из-за перепадов давления на Земле, что, в свою очередь, является в том числе следствием изменения температуры (более подробно мы рассмотрим влияние температуры в главе 11).
Зона высокого давления называется антициклоном: силы давления стремятся вытолкнуть ветер наружу. Зона низкого давления называется циклоном: здесь силы давления стремятся собрать ветра к центру. Таким образом, ветра естественно переходят от антициклонов к циклонам, но, двигаясь так, в Северном полушарии они отклоняются вправо: на рис. 5.10 мы видим, что в итоге ветра кружат по часовой стрелке вокруг антициклона (удаляясь друг от друга) и в противоположном направлении вокруг циклона (приближаясь друг к другу). В Южном полушарии все происходит наоборот.