南北半球水旋方向为什么不同？

吴  志

上世纪四十年代科学家卡皮罗发现，拔掉洗漱池中的排水塞后，北半球的水是逆时针转的，南半球是水是顺时针转的。后来人们用科里奥利力来解释这一现象，这是一种虚构的力，没有陈述清楚，也没有解释清楚，只是认为地球自转使南北半球形成了不同的偏转力，看起来似是而非，没有说明白原理在哪里。

应从水体和水流的受力情况来分析。这样更准确一些，毕竟地球转与水流走是两回事。在这里给出三种解释，角度不同，解释不同，就好像站在不同角度描述同一事物，看似描述不同，其实本质一样，各种解释是有关联的，其中一种是最合理的解释，读者各取所需吧。

1.第一种解释

这是参考并改良科里奥利力进行的解释，这样能说得更明白一些。地球在自转过程中，各纬度的线速度是不同的，赤道速度最高，越靠近两极速度越低。在北半球的一池水，也有南北之分，水被地球带着转动，南端的水比北端的水转得快些，快水挤压慢水，这样就有一个逆时针的力作用到水分子中，可以称为水应力，意思是水分子都有向逆时针方向转的趋势，但转不起来或感觉不到，因为水流被四壁阻挡，拔掉排水塞后水就逆时针转了。在南半球则是顺时针转，原理是一样的。

不过，在一小池水中纬度相差是很少的，少到几乎可以忽略不计，但原子和亚原子粒子是敏感的，能感觉到微小的转速差异，它们的运动速度也有微小不同，无数粒子的运动差异叠加在一起，那就是一股不可忽视的力量了。在北半球，水有左旋的扭力；在南北球，水有右旋的扭力。即使再微小，也是1与0的关系，天平会向1倾斜。

   

问题是，这种解释还不能令人满意。第一，感觉这种扭力不应有那么大，我们看到的水旋速度是比较快的。因此，除了这种微小的扭力之外，还应有其他力起了作用。或者，根本就不是利里奥利力在起作用，而是其他力在起作用。第二，靠近赤道的水快，靠近两极的水慢，形成快水挤慢水。这种说法不一定能成立，慢水压强更大，快水压强更小，被挤的应该是快水。

有些自然现象解释不了，是因为科学没发展到那个高度，科学原理还未被科学家发现，那就解释不了某种自然现象了。

2.第二种解释

我有篇文章《地磁的形成》，对地球磁场进行了解释，认为南北两极磁场是电子云集与质子（或正离子）云集，两极有磁引力，能对地球物质产生引力。这同一条磁铁一样，两端是电子云集与正离子云集，从而形成了较强的磁引力，磁铁中段是没有磁引力的，只有可以忽略不计的万有引力，因为中段是普通原子，磁引力与磁斥力中和了。

磁引力与万有引力都来自粒子之间的引力，对于地球来说是来自质子与电子之间的引力，这也是电荷之间的引力。磁引力比万有引力更强，因为磁引力来自裸露质子或裸露电子，万有引力是质子引力被外围电子吸收后的剩余引力，这种引力能吸引相邻原子外围的电子，这是地球分子能够形成的基础。不过，地球质量很大，两极电荷较少，总体上是万有引力大于磁引力，但也不能忽略磁引力。地球两极磁引力方向是弧形的，在两极之间呈弧状分布，与地球表面弧度大体相符，这也就是磁力线的方向，因而磁引力能对地表物质形成水平方向的拉力。

地球引力最强是两极，因为有磁引力与万有引力叠加；引力最弱是赤道，因为只有万有引力，没有磁引力。人到赤道重量也会轻些，尽管赤道半径比极半径更长，按理引力应更大，实际上相反。有人用离心力与向心力来解释，那只是问题的一个方面。

由于距离较近，北半球的水受到北极的磁引力大些，受到南极的磁引力小些，冲抵之后等于北极有一个拉力，这是北向水应力。同样道理，南半球的水受到南极的磁引力大些，受到北极的磁引力小些，冲抵后等于南极有一个拉力，这是南向水应力。

除此之外，地球由西向东自转，带着水往东转，一般认为水是向东流的。甚至有学者说，南北向的河流东岸受到的水流冲击更大，南北向的铁路东侧铁轨受到的压力更大。不过，我的看法刚好相反。我认为水是由东向西流的，或说有一个由东向西的水应力。为什么？我们站在公交车上，汽车起步时人是向后仰的，坐在椅子上是椅背推着我们向前和座垫拉着我们向前，这意味着人是向后运动的。若不是一个人而是一池水呢？水的向后运动更明显，因为液体具有流动性。汽车进入匀速行驶，车载水走，水跟车走，但水总是迟半拍，水应力还是存在的，向后流动的趋势不变，只是没那么明显了。好比把一个篮球放在车上地板，篮球肯定是向后滚动的。另外，地球的自转不是绝对匀速的，受内部运动、太阳引力和行星引力的影响，太阳活动是不断变化的，行星方位是不断变化的，因此地球自转的动力时大时小，自转速度也时快时慢，这就决定了水应力的存在。

水应力的存在，还可以从木星的色带得到证实。木星外层是厚实的气态物质，但木星比重比水还大33%，因此可以把木星看成是液态的。木星引力很大，经常有陨石落入木星，陨石有不同成分和不同颜色，落入木星后就形成一个色斑，木星由西向东自转，色斑被木星自转拖着走，总是落后半拍，或说是向木星自转的相反方向流动，假以时日就拉成一条色带了，这是木星色带的来源。如果是完全同步的，就不可能存在色带（参见另一篇论文《木星表面是一片火海》）。只要液体向自转相反方向流动，就存在“液应力”。

不过，说地表水是由东向西运动的，也不够科学和准确，还缺少一些前提。运动是相对的，地表水是向东还是向西运动，得看以什么作为参照物。当人站在地球之外，以旁观者的眼光来看，那么地表水是由西向东流的，被地球带着高速旋转；当人站在地球上，以地球的角度来看，地球是由西向东运动的，水是由东向西运动的。因为地球自转永远比水快，这意味着水是由东向西流的。在洗漱池中做实验，要看的是水池与水的相对运动，也就是地球与水的相对运动，这就意味着水是由东向西流的。推而广之，地表水都是这样运动的。

以上说的是静水，那么江河水呢？当然也存在，即使江河由西向东流，水应力还是存在的，有一种由东向西流动的力，只是被江河的运动抵消了，感觉不到这种力的存在。

行文至此，可以发现北半球的水在水平方向受两个力，一个是向北的拉力，一个是向西的推力。正是这两个力的存在，再加上水的重力，使池水发生了逆时针旋转。

  

图中大圆表示水池，小圆表示排水孔。这池水静止时主要有三种力，一是向北的拉力，二是向西的推力，三是向下的重力。当排水孔打开后，起主要作用的是重力，水会垂直下漏，水面上是没有旋涡的。当水位下降到一定程度，重力就不起主导作用了，转为水平方向的力起主导作用。

那么，是哪个方向的水优先进入排水孔呢？a方向的水被推到西边，不可能优先进入排水孔；c方向的水被拉到北边，也不可能优先进入排水孔；b方向的水被往西边推，具有优先权；d方向的水被往北边拉，也具有优先权。那么，b与d谁更先？当然是b更优先，因为地球自转速度非常快，赤道线速度是每秒466米，纬度高些也慢不了多少，这个速度施加给水的应力是很大的。d虽然受到北极的拉力，但这种拉力相对较弱，还给南极的拉力抵消了一部分。

因此，b方向的水优先进入排水孔。当这个方向的水位下降后，在重力作用下两旁的水填充进来，c方向的水被拉到池壁，就像被吸在池壁一样。d方向的水原来是被前后左右的水顶住的，现在东北方向的水位下去了，在重力作用下向东北方向流动，形成了逆时针的流动方向，在这个推力的作用下，整池水就逆时针转起来了，于是逆时针水旋形成了。当然，水位差不是肉眼能辨别的，只有水分子能感受到。南半球的水旋是顺时针转的，原理一样，不用解释了。

不仅洗漱池中的水是这样旋转的，江河湖泊中的水也是这样旋转的，地球大气也是这样旋转的。比如，北半球的台风都是逆时针旋转的，从卫星云图看就很明显。不过，在江河中由于河床、河岸、水流和障碍物的复杂，也有可能形成反方向水旋。但只要是静水，就一定会按规则旋转。那么在赤道的水是怎么旋转的？有学者做了实验，说是垂直下漏的；也有学者做了实验，说是左旋与右旋各占一半概率。谁对谁错留给大家验证吧。

在赤道上，向西水应力是存在的，当水位下降到一定程度，也是应该东水西流，优先进入，随后两旁的水填补进来。不过，很难找准赤道的平衡点，即使在赤道上，南北极的拉力也不意味着就是平衡的，地理上的平衡点不等于磁引力的平衡点。因此，有微弱左旋或右旋也是正常的，没有也是正常的。这么看来，是否去求证就不重要了。

大气中的台风和江河中的水旋，它们下面没有一个排水阀，为什么还会像洗漱池那样旋转呢？大气层是很厚的气体，是不断流动变化的，有上下运动和水平运动，当海平面出现一个低压区时，高空冷空气向下流动，这就等于下方有一个排水阀吸水了，于是北半球的台风就逆时针旋转起来了。夏天有些小海岛在炽热太阳烘烤下气温很高，最容易形成低压区，台风往往起源于这些小海岛。菲律宾、印度尼西亚都是小海岛众多之处，那里也是台风起源较多之处。台风周围的气压是不同的，台风会向低压区运动。陆地上方空气受地表阳光反射，地表高温空气也会上行，因而大陆空气温度较高，气压较小，于是台风往往选择向大陆方向运动。进入大陆不远台风就消失了，因为周围的气压都差不多，台风也就失去方向了。有较多水蒸气之处容易形成台风，有水蒸气共舞力量才足够大。

河流中的水旋稍复杂一些，靠近河床的水流遇障碍物受阻，比如遇到一块大石，遇到河床收窄，下方的水流会加速，压强变小，上方的水下沉，这就等于下方有一个排水阀吸水了，于是河水转起来形成水旋。另外，遇到河床下沉，像台阶或斜坡那样，河水也会下沉，也有可能产生旋涡。当然，有时水旋是由岸边的地形地物造成的。

认识自然是为了利用自然。比如，抽水马桶的设计，为了增加冲刷效果和节约水量，往往设计成旋涡水流，若是在北半球就应设计为逆时针旋转，若是在南半球就应设计为顺时针旋转，这样可以向大自然借力，如果与大自然对着干，那是事倍功半，不仅冲刷效果不好，还增加了用水量。修筑水坝也要考虑水应力——这是在本文中提出的新概念，向西的水应力最大，向北的水应力其次，若是大坝朝向这两个方向，就要更坚固一些了。幸好，中国的长江、黄河和珠江三大水系，都是由西向东流，在上面修筑的水坝，只需承受江水冲击力和静水张力，无需承受水应力，包括向西、向北的水应力，向西的水应力还起到减压作用，所以中国的大型水坝相对安全。

中小水坝被冲垮的事件有很多，尤其六七十年代中国建的中小水坝，或多或少存在水应力，洪水来了承受不了更大的水压力和更大的水应力，也就垮塌了。如1975年8月一场暴雨，河南驻马店就有62座水坝垮塌，其中2座大型（按当时标准），2座中型，58座小型，伤亡惨重，损失巨大。这些水坝都是水利专家和工程技术专家设计出来的，一夜之间垮塌了，可能与没考虑到水应力有关。一座水库承受不了一场大雨，这是说不过去的；所有水库都承受不了一场大雨，这更是说不过去的。即使水漫坝也不应垮塌，对不对？肯定是在力学理论上出了问题。驻马店主要有四条河流，汝河、小洪河是从西北流向东南，臻头河是从西南流向东北，泌阳河是由东往西流，其中泌阳河上的水坝水应力最大，其他河流的水坝都有水应力。是否有水应力，可根据江河流向判断：

由西向东流，水坝无需承受水应力；

由东向西流，水坝要承受向西水应力；

由北向南流，水坝无需承受水应力，可获向北水应力减压；

由南向北流，水坝要承受向北水应力；

由西北向东南流，水坝无需承受水应力，可获向西、向北水应力减压；

由东南向西北流，水坝要承受向西、向北水应力；

由西南向东北流，水坝要承受向北水应力，可获向西水应力冲减；

由东北向西南流，水坝要承受向西水应力，可获向北水应力冲减。

但要具体情况具体分析，因为河流走向是迂回曲折的，甚至出现九十度或一百八十度转向，变一个方向就不一样了。主要是给水库标一个向北应力和向西应力，这样就可以判断是受力还是冲减了。有些水坝是弧形的，水应力是必然存在的。额外承受水应力不一定就垮坝，可能平时相安无事，突然下一场罕见暴雨，预留安全余量不多的就有可能垮坝。

对于一个水系来说，支流方向通常与主流方向成九十度角，这意味着要么主流有水应力，要么支流有水应力。如长江主流由西向东流，但长江主要支流赣江、湘江、汉江、乌江、嘉陵江、涪江、沱江、岷江、雅砻江都是南北走向的，或往南流，或往北流。

然而，南北磁极是否确定对地表水有引力？在《地磁的形成》一文中已经说清楚了，现在再简单说一下。在《地磁的形成》中有个实验，证明北极是质子极，南极是电子极，这是太阳风下落不均匀造成的，北极落下的质子多一些，南极落下的电子多一些，原因有待继续探索。

由于地球物质外围都有电子，北极质子聚集区就对所有物质形成较强引力；由于地球物质都有原子核，原子核能吸引周围的电子，让原子变成正离子，或让两个或多个原子结合成分子。不然，这个世界不可能有分子存在。当南极有一个密集的电子聚集区时，就对地球所有物质形成较强的引力。可见，南北极的磁引力就是这么来的。水中有大量的氢，北极质子要抢夺氢外围的电子，也就把氢拉过去了；水中有大量的氢核，南极电子要抢夺氢核，也就把氢拉过去了。实际上是把整个水原子和水分子拉过去。你拉椅子一个脚，过去的不是脚，而是整把椅子。当然，水中的氧也被两极拉扯和争夺。水离哪极近，哪极占优势。

从以上分析可知，磁对地球所有物质都有吸引力。这是可以用实验证实的，拿一把塑料梳子（可能牛角的更好），用布上激烈摩擦几十秒，然后把梳子接触两三毫米大小的报纸片，就把小纸片吸附到梳子上了。因为摩擦把梳子外围的一些电子磨掉了，出现自由电子和正离子，靠近纸片时就把纸片吸附过来了，梳子变成了一块能吸纸的人造磁石。

虽然磁对所有物质都有引力，但似乎对结构松散的物质引力较大，因为容易把这些物质电离，即把电子推开或拉走，让原子核直面电子。磁对铁、钴、镍有较大引力，这三种物质原子序数是26、27、28，化学性质也相似，都属于比较活跃的金属。总的来看，磁引力与双方的电性结构有关，磁与被吸物质碰到一起，能引起彼此抢夺对方的电子，你抢我夺就把双方的距离拉近了。

铁是很活跃的物质，能与大气中的氧发生化学反应，生成让人讨厌的铁锈，说明结构松散，所以磁对铁引力很大；黄金结构稳定，一般不与周围物质发生化学反应，所以磁对黄金引力较小。

石头和木头属化合物，几乎所有化合物都是稳定结构，既然能结合在一起，说明有很强吸引力，别人就很难抢走了。在常温下一般不与周围物质发生化学反应。因此，用磁吸石头和木头，肉眼看不到引力在哪里，实际上还是有引力的，只是太微弱了，因为磁不能把石头和木头的电子推开或拉走。

水也是化合物，也是一种稳定结构，人类总想把水中的氢提取出来，需要费九牛二虎之力，得不偿失，能耗太大。因此，磁对水的引力也感觉不到，不过水有两个特性可以放大磁引力：一是有流动性。月球对地球所有物质都有引力，唯独对水的引力能感觉得到，就是因为水具有流动性。二是体量巨大。水是大洋大海大湖大江，无数水分子被牵引后累加，形成的水应力就不可忽视了。比如，水库中的水应力。

由于磁引力能解释南北半球的水旋方向，可以认定《地磁的形成》一文中的基本观点是真理。

3.第三种解释

地球是围绕着自转轴由西向东转的，这就导致一个有趣现象：从北极上方看地球是逆时针转的，从南极上方看地球是顺时针转的，看似矛盾的现象统一在一个事物中。这是因为看问题的角度不同，如果从南极上方穿透地球看北极自转，则同南极一样，是顺时针转的；如果从北极上方穿透地球看南极自转，则同北极一样，是逆时针转的。

但我们观察事物，不能穿透物体，只能透过空间，不得不从物体的这面看一下，从物体的那面看一下，这就形成了不同角度。看洗漱盆中的水，也是从上往下俯视的，等于从两极上方看。如果你钻到洗漱盆下面往上看，水流转动的方向刚好相反，从上面看是逆时针的，从下面看就是顺时针的。就好比从北极看人是站着的，从南极透过地球看人是倒立的。因此，可以认定，洗漱盆中的水旋都是一个方向的，只是在南北半球看起来方向相反了。

地球上的水都是由西向东转的，旋转方向取决于观察点。站在北极上方，水流方向是逆时针的，就像拿一根筷子在北极圈逆时针搅动一样，水被搅着转；站在南极上方，水流方向是顺时针的，就像拿一根筷子在南极圈顺时针搅动一样，水被搅着转。

水被搅动向东运动时会遇到前方阻力，或来自水的阻力，或来自四壁的阻力，遇阻后会向南北两个方向流动，向哪边流动呢？只能向着被搅动的方向流动，也就是半北球向北流，这就形成了逆时针的扭力；南半球向南流，这就形成了顺时针的扭力。表现在巨大的气旋和水旋上，气旋包括台风、云流等；水旋观察不到，在南北半球应该有顺时针和逆时针的暗流，有待科学研究证实，原理同气旋一样。至于人类观察到的洋流，发生机制不同，主要是由海风、海水密度和海水补偿造成的，密度包括盐度和热胀冷缩等。

这种气旋和水旋，直径为几千公里左右，北半球是逆时针，南半球是顺时针。那么发生的洗漱盆中的水旋怎么解释呢？这盆水也是被地球自转搅动的，在北半球是被逆时针搅动，遇到盆壁就转起来了。当然，静水阻力太大，盆壁、盆底和水之间都有阻力，水是转不起来的，或说不能被人类观测得到，只表现为一种静力或扭力，当水塞拔掉后就逆时针转起来了。在南半球则是顺时针转起来。

木星的密度比海水还高，是可以视为液体的，由此推断地球的海洋也有这种大水旋，直径是几千公里左右。当然，尺度比木星气旋小很多。无论什么行星或卫星，表面的气体或液体都有这个规律。

行文至此，南北半球的水旋方向就解释清楚了，尽管有三种解释，但内在原理是大同小异的，可以接受自己能理解的一种方式。第三种解释似乎与第二种解释中的水应力有矛盾，其实并不矛盾，现在解释一下这个问题。

地球是由西向东自转的，地表水是被地球带着转的，由于是液体转动慢半拍，但仍是由西向东转的。这么说，在一个游泳池中，由东向西的水应力不存在了？当然存在。泳池西壁在推着这池水呢？池壁是固体，与地球同步，把水向东推，水给它一个后坐力，或说反作用力，这就是水应力了。如果只看水，不看壁，那是不存在后坐力或水应力的。在第三种解释中，就是只考虑水流的运动方向。

                    

                          2018年4月20日