Планета Земля и ее атмосфера. Земля как планета. Форма и размеры. Гравитационное поле. Магнитное поле., страница 27

Нетрудно и вычислить такую траекторию. Для этого надо построить ее на неподвижной сфере, найти изменение во времени координат, долготы К и широты λ, а затем угол φ смещать с угловой скоростью ω_⊕ = 2π/R_⊕, т. е. угловой скоростью вращения Земли. Пример траектории спутника приведен на рисунке 2.5-6.22.

Законы Ньютона в их первоначальном виде справедливы для инерциальных систем отсчетам – систем, движущихся равномерно и прямолинейно. Однако, находясь на Земле, нам удобно связать систему отсчета с ее поверхностью. Это и есть система географические координат. Она не является инерциальной, поскольку Земля вращается. Можно переписать второй закон Ньютона так, чтобы он был справедлив во вращающейся системе отсчета. Но при этом в правую часть его нужно добавить дополнительную силу. Называется она силой Кориолиса.

Сила Кориолиса перпендикулярна скорости материальной точки и пропорциональна скорости. Кроме того, сила Кориолиса зависит от широты места, как sinφ. Общее выражение для нее таково:

т — масса тела.

Посмотрите еще раз на траекторию спутника, вы видите, каждый раз при пересечении экватора кривизна у траектории отсутствует – и сила Кориолиса на экваторе равна нулю. В Северном полушарии при движении спутника на восток сила Кориолиса направлена, в основном, к югу, что и приводит к возвращению траектории к экватору. В Южном полушарии угол Ф меняет знак, и сила Кориолиса заворачивает спутник на север. Подчеркнем еще раз, что сила Кориолиса – не есть сила, вызываемая каким-либо реальным силовым полем, она возникает только вследствие описания явлений во вращающейся системе координат. Ведь траектория спутника была построена вначале в неподвижной системе отсчета - там она просто окружность и только для объяснения ее в географических координатах нам понадобилась сила Кориолиса.

Не надо, впрочем, считать силу Кориолиса фиктивной, ее действия вполне реальны для нас. Ведь мы живем на вращающейся планете, и большинство явлений, наблюдаемых нами, происходит в тонком слое на поверхности вращающейся сферы. При передвижении по поверхности сферы точка переходит с одного радиуса вращения на другой. Если мы не хотим этого замечать, хотим считать окружающий нас участок земной поверхности неподвижной плоскостью, то должны считать реальной силу инерции — силу Кориолиса. В нашем Северном полушарии она направлена вправо по ходу движения. По величине сила Кориолиса незначительна. При скорости, на пример, легковой машины, 20 м/с, ускорение Кориолиса равно всего 10^-3 м/с², это лишь сотая процента ускорения силы тяжести. Поэтому на наших передвижениях сила Кориолиса практически не сказывается. Но проявления ее становятся заметны при длительном действии: правые рельсы железных дорог изнашиваются быстрее левых, а у наших рек — крутые правые берега и пологие левые. Но особенно сильно проявляется действие сил Кориолиса на глобальные воздушные потоки.

Вернемся к тропической циркуляции. Скорости воздушных потоков, оттекающих от экватора в верхней тропосфере, около 200 м/с. Конечно, кроме силы Кориолиса, на воздушные массы действуют и другие, аэродинамические силы. Но посмотрите, как меняют направление потоки, первоначально перпендикулярные экватору, под действием одной только силы Кориолиса (рисунок 2.5-6.23). Вначале, вблизи экватора, сила Кориолиса равна нулю, и потоки сохраняют на правление движения. Затем они, как и траектории спутников, отклоняются вправо в Северном и влево в Южном полушарии. Поворот на 90°, когда потоки воздуха становятся направленными с запада на восток в обоих полушариях, происходит у широты φ₀. Со скоростью потока эта предельная широта связана так: