浴室里的科里奥利效应

浴室里的科里奥利效应

这是精彩的一幕。纳纽基是刚好位于赤道北面的一座小镇，赤道在这里穿过非洲肯尼亚。小镇建于20世纪初，它给人的感觉还是一片尚未开发之地。

去往附近肯尼亚山的旅游车常会在此频繁停留。表面看来，这里似乎是一些必去的礼品与古董的代理店，不过它的另一个特色是一位名叫麦克利维（Peter McLeary）的当地人。当游客们聚拢来，麦克利维就会为他们演示一个可能会让他们忘不了的把戏。

麦克利维带着游客来到画在一间烧毁的旧旅馆地板上的一根线旁边，告诉他们说这是赤道的实际位置。作为一个能言善道的演说者，他解释说，在这条线以北，水排出时形成顺时针的旋涡；在这条线以南，则以逆时针方向排出，这一效应是由地球自转所引起的。

随后他会进一步证明这一点。他取出一个大约30厘米见方的小而粗糙的方盘，并将它注满水。他放一些火柴棍在盘里，以便观众们能更容易地看到水流的旋涡。他走到线的一侧并面向观众，然后拔出塞子，让水流出。毫无疑问地，当在赤道线以北做此演示时，水以顺时针方向排出；当在赤道线以南重复这个实验时，水则以逆时针方向排出。这是地球自转的直接证据！

这一演示很有说服力。麦克利维做了很多年，这总能让他迅速得到轻信的游客们的小费。无数的游客看过这一演示，BBC的系列节目《极地之旅》（Pole to Pole）^[1]甚至为其制作了特别节目。在节目中，前巨蟒六人喜剧组合（Monty Python）^[2]成员之一傻小子佩林（Michael Palin）在世界各地旅行，寻访有趣的景象。在这个特别段落中，佩林观看了麦克利维的演示并且补充道：“这就是我们所知的科里奥利效应……它的确在起作用。”

事实并不是这样的。佩林以及在他之前之后不知多少游客都上当受骗了。而且，这个骗局并未终止于此。这个由来已久的观点还被用来解释马桶以及水槽与浴缸何以在南北半球的排水方向不同。很多大学生称，他们的中学科学教师们向他们讲授了这一事实。问题是，这并非事实。这是蹩脚的天文学。

科里奥利效应的确是存在的。到1800年代时，人们早已知道，沿南北线发射的炮弹往往会偏离笔直路径。如果向南发射，炮弹总是会落在目标偏西的位置，而如果向北发射，则落在目标偏东的位置。1835年，法国数学家科里奥利（Gustave Gaspard Coriolis）发表了一篇论文，它有一个并不招摇的标题——《论物系相对运动方程》，描述了后来被称为科里奥利效应的现象。

想象一下自己站在地球上。是的，这很容易。现在，想象地球在自转，每天一圈。还在听我说吗？好吧，现在想象你站在赤道上。地球的自转带着你向东运行，一天后，你在空间扫过了一个大圆，其半径等于地球半径。在赤道上，意味着你一天走了40 000千米（25 000英里）。

现在想象你在北极点。一天后，你围绕所站的地点转了一圈，但实际上你就没挪窝。北极点被定义为地球自转轴穿过地面的那一点，该点被非常精确地定义于此，因此你不会在那里划出圈来。你只是在旋转，而根本没有作向东的运动。

当从赤道向北移动，你会发现向东的速度下降。在赤道上，你以几近1670千米/小时（1030英里/小时）的速度向东运行（24小时共运行40 000千米）。在位于北纬大约27°的佛罗里达州萨拉索塔，你将以1500千米/小时（930英里/小时）的速度向东运行。当来到地处北纬44°的缅因州威斯卡西特时，你向东运行的速度仅为1200千米/小时（720英里/小时）。如果你敢于挑战阿拉斯加州巴罗的严寒去到北纬71°的地方，你将以550千米/小时（340英里/小时）的速度从容不迫地移动。最后，在北极，你将根本不会向东移动，你仅仅是自己打转而未向东移动半步。

让我们假定你停留在萨拉索塔，考虑到此地相比于巴罗的适宜气候，这么做自然是理所当然。现在想象赤道上有一个人在你正南方向，他向正北方向抛出棒球，直指你所在的位置。当棒球向北运动时，它向东的速度相对于地面增加。相对于你来说，当棒球到达你的位置时，它将以大约1670－1500=170千米/小时（1030－930=100英里/小时）的速度向东移动。即使棒球直接瞄准你，它也将以一个很大的差值与你失之交臂！当抵达你所在的纬度时，它会落在你东边很远的地方。

这就是为什么当炮弹向北或向南发射时会发生偏转。最初从大炮射出时，它们多少都有一个向东的初始速度。但如果是向北发射，它们在抵达目标的过程中向东移动的速度要比它们下方的地表向东转动的速度快。炮手需要瞄准稍偏西的位置以抵消这一作用。当向南开炮时情况正好相反；炮弹飞向目标的过程中向东移动的速度慢于它们下方的地表，炮手需要瞄准比实际射击目标稍偏东的位置。

在上述像棒球运动一样的例子中，涉及距离与时间非常大，使得科里奥利效应累积增大。事实上，这是一个很小的效应。假定你在缅因州威斯卡西特以100千米/小时的速度开车向北行驶。科里奥利效应会让你以3毫米/秒的小量偏转。持续行驶整整1小时之后，偏转量仅为10米。你可能不会注意到这一点。

但科里奥利效应是存在的。尽管很微弱，但是经过很长的距离和时间，它就会叠加累积起来。在适当的条件下，那可能会是一个很大的值。

这些情况的确会出现。气压低的地区就像一只吸尘器，可以吸引周围的气流。让我们来简化一下在北半球的情况，假设气流仅自正北和正南而来。自正南而来的气流向东移动的速度比低压中心附近的气流要快，因此它会向东偏转。自正北而来的气流运动得比低压中心的气流慢，因此向西偏转。这两种偏转合成了低气压系统的逆时针旋转。这被称作气旋系统。

在南半球情况正相反。因为自北而来的气流向东移动的速度更快，自南而来的气流移动得更慢，所合成的低气压系统将沿顺时针方向旋转。旋转方向与北半球相反。

如果系统在长时段——几天或几周——保持稳定，其强度会大大增加。温暖的海水进入系统，使其更强。气流离中心越近，运动就越快，就像溜冰者收起手臂时，旋转得更快一样。当风的强度增加并以100千米/小时或更大时速刮起，就会成为飓风（如果在太平洋上，就会形成台风）。

所有这一切，都来自你在汽车里甚至无法觉察的微小偏转。

这是不是听上去挺耳熟的？没错！麦克利维在肯尼亚演示时用来解释水流方向所用的正是相同的观点。

但是有一个问题：正如我们已经看到的，科里奥利效应只有经过长距离和长时间的积累才会产生可测量到的效果。就连最深的浴缸也还是太小，且排水太快，因而根本不会受到这一效应的影响。计算显示，水中的无规则运动比科里奥利效应强数千倍，这意味着水中的任何无规则涡旋都会完全淹没这一效应。如果你浴缸里的水总是以一种方式排出，那么它与你的排水管具体形状的关系更大，而非来自地球自转。

事实上，那些渴望成为物理学家的人曾利用自家的水槽做过一个实验。他们发现，水槽需要静止平放三周以上，从而使得无规则的水流减弱到足够小，才能看到可觉察的科里奥利效应。不仅如此，他们还不得不让水槽逐滴排水，以使这一效应经过足够长的时间而变得显著。在水槽中手洗细软衣物时，你是不可能看到这一效应的。

这对马桶来说也同样适用。这总是让我忍俊不禁：马桶是被设计来使水旋转的，这有助于清理那些不能很容易被清除掉的顽固污物。水通过成一定角度的管道被注入马桶，因此水流冲洗马桶的方式总是相同的！即便是我把这马桶拆下来，搬到澳大利亚去，水流冲洗马桶的方向还是与现在一样。

图1-2　科里奥利效应只有在经过长距离才会变得显著。当低气压团吸进来自更高和更低纬度的气流时，飓风就产生了。由于科里奥利效应，在北半球，自南而来的气流会向东运动，自北而来的气流则向西运动，引起逆时针旋转。

科里奥利效应在如此小的尺度仍会起作用这一观点，是一个有害的神话。我在不计其数的电视节目以及杂志文章中看到过它，甚至《体育画报》（Sports Illustrated）的泳衣专题中也曾对此做过报道。奇怪的是，他们记述了从中美洲国家哥斯达黎加步行穿越赤道，而哥斯达黎加距离赤道尚有数百千米之遥。一些特约撰稿人把图搞错，但这些图又不是杂志通常设法兜售的那种。要不，也许这类徒步旅行正是模特们如何保持如此苗条的原因。

如果科里奥利效应在诸如水槽或平底锅这样小的物件上并不会起效，那么麦克利维又是如何让它实现的呢？毕竟，正像佩林所评论的，该效应在他那儿的确起作用了。

事实上，麦克利维欺骗了他的观众。如果观看了他在《极地之旅》中的做法，你就会发现他骗人的伎俩。他站在自己的那条赤道线上并在盘里注满了水，然后向北走数米，并迅速向右转面对观众。他打开盘底的一个出水口，而水会十分善解人意地以顺时针方向旋转排出。接下来，他再次将盆注满，向赤道以南走上数米，然后迅速向左转面对观众。排水，此时水会沿逆时针方向旋转排出。

你看出这是怎么回事儿了吗？通过以相反方向快速转向，他可以令水以他所想要的方向旋转！水盘近似方形的形状也助了他一臂之力；当水盘转动时，它的四角对水有一个推力，从而让水更遂心意地流动。

气象学教授弗雷泽曾在他的课堂上做过这一演示。他在教室中央画一条线，并宣称它就是赤道（他任教于宾夕法尼亚州）。然后他所做的演示与麦克利维的一样，并得到了相同的结果。

还是不相信我？那么考虑这一点：在北半球，科里奥利效应会使排出的水以逆时针方向旋转，而在南半球则以顺时针方向旋转。在北半球，向北流动的水会向东偏转，使水成逆时针方向旋转。由北向南而来的水流则向西偏转，但仍是逆时针。在南半球，情形相反，水将以顺时针方向旋转。

但这与麦克利维所演示的正好相反。他是个骗子！

法官大人，我的案子结了。

喔，其实不是的。我还有另一个传说要讲。当搜索有关纳纽基的信息时，我找到了一个旅行者的旅行见闻，记述了小镇外3个相距大约10米的水槽。一个在赤道以南，一个正好位于赤道上，第三个则位于赤道以北。也许是其他什么人打算抢麦克利维的生意。无论如何，写下旅行见闻的这位旅行者声称，北边的水槽沿顺时针方向排水，南边的水槽沿逆时针方向排水，而中间的水槽则笔直向下排水。显然，排水孔被以某种方式凿开，迫使水以设计者需要的方向排出。再次请注意，它们排水的方向又错了！

实际上这非常可笑。这些骗子经历这样那样的麻烦以挣得几个小钱，他们甚至没怎么搞懂这个骗局。尽管如此，我认为那些骗子并不会饿死。骗子们很少会饿死。他们总是能让水流的旋转听命于他们的支配。

【注释】

[1]《极地之旅》是一部8集的电视纪录片，1992年由BBC公司制作并播出。著名旅游节目主持人佩林从北极出发，沿东经30°旅行，直至南极。原文写作PBS（美国公共广播公司），应为BBC之误。——译者

[2]巨蟒是一个英国的六人喜剧组合，成立于1960年代末。他们的电视喜剧系列《巨蟒与飞行的马戏团》（Monty Python and the Flying Circus）在1970年代风靡全球。这个组合对大众文化产生了很大影响，据说编程语言Python的作者范罗苏姆（Guido van Rossum）特别喜欢《飞行的马戏团》，因此便以这个组合的名字命名其编程语言。后来成为著名旅游节目主持人的佩林曾是这个组合的一员。——译者