台风和涡旋转盘的升力：飞碟诞生的理论基础

                             杨学祥，杨冬红

学者张磊最近指出：伯努利定律*才是飞机诞生的理论基础。

*注：伯努利定律是指当流体(气流或液体)速度增加时，相对的当时瞬间的压力会降低。如机翼下端平缓上端曲面，空气为了在最终能够同时抵达后方，则上方速度加快，而产生上下气压差，提供升力。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2966991-1072479.html

我在2002年提出的涡旋转盘升力定律，至今定留在理论上，没有得到工程技术人员的关注和应用。

气象学中经常将兰金涡旋作为台风涡旋的初步近似。在不可压缩的流体中，取半径为a的平面圆形涡旋。若其内涡度ζ_z为均匀常值，在涡旋外的流体中ζ_z = 0，此涡旋称为兰金复合涡旋。它与圆形转盘所产生的空气涡旋是完全一致的。设半径为R的静圆盘上有一同心的半径为a的转动圆盘，其上方的压力分布为^[17]

      P₁（r，z）= P₀– gρz–ω²ρa²（1 – r²/2a²）     （r ≤　a）     （1）

      P₁（r，z）= P₀– gρz--a ⁴ω²ρ/2r²            （a≤ r ≤R）    （2）

其中，ω为角速度，ρ为空气密度，g为重力加速度，z为离地面高度，P₀为地表大气压，r为圆盘矢径。忽略高差不计，圆盘上下方的压力差为

       △P=ω²ρa²（1 – r²/2a²）     　（0≤　r ≤a）          （3）

△P= a ⁴ω²ρ/2r²               （a≤ r ≤R）            （4）

积分后可得转动圆盘部分升力值F₁和静圆盘部分升力值F₂分别为

F₁=3a⁴πω²ρ            （5）；         F₂=πω²ρa⁴ ln（R/a）   （6）

取a=1m，R=2.72a，ω=80π/s，有F₁=19636kg，F₂=26182kg，合计升力为45818kg。涡旋产生的上升力与气垫船原理相反，可积小力为大力（多个小旋涡可合成一个大旋涡），是飞行体的理想升空机制。龙卷风就是涡旋能量不断积累的结果。积累通过量变达到质变。

   与伯努利定律不同，涡旋转盘是通过转盘降低飞碟上部的空气压力，形成与飞碟底部的压力差，从而产生飞碟的升空动力，避免旋转飞翼所承受巨大应力的缺点。

 飞碟旋转部分转盘也可制成平板型，并在其外围增设非旋转部分，增大空气流动效果。上述计算以此模型为基础（见下图）。

相关文献：

           地球流体的差异旋转与气候变化

                 杨学祥

     （吉林大学地球探测科学与技术学院，长春130026; 中国科学院国家天文台，北京100012）

国家自然科学基金(49774228)资助

关键词：科里奥利力，潮汐力，差异旋转，厄尔尼诺，能量放大器

   摘要：温差和潮汐力引起的地球流体与固体的差异旋转在科里奥利力的作用下得到加强，信风、台风、风暴潮、海流环陆运动和异常大潮是明显可见的实例。认真研究微小能量逐渐积累和增强的机制，对全球气候变化的全面认识大有帮助。海洋的能量积累和科里奥利力的放大作用不可忽视。

一、前言

科里奥利力的地球动力作用在日常生活中随处可见，例如落体偏东、信风带、流水对两岸冲刷的差异等。当我们拔启卫生间水池漏孔的塞子，池中的水将以旋转的方式从漏孔流走，形成所谓“涡旋”。在涡旋中，越是靠近中心的地方，流速越大，因此，在涡旋的中央位置必须是空的，否则那里的速度将趋于无穷大^[1]。这是科里奥利力放大能量的实例。

太平洋东西两岸的构造差别是科里奥利力作用的另一个明显实例。大陆的剥蚀带和沿海的沉积带发生快速升降运动时，在科氏力作用下，大陆东部剥蚀带上升西移，东部沿海沉积带下降东移，强烈的引张作用形成大陆东部的岛弧和弧后边缘海；与此相反，大陆西部剥蚀带上升西移，西部沿海沉积带下降东移，强烈的挤压作用形成大陆西部的高耸山脉。科氏力的大小与地震时地壳的运动速度成正比，所以，地震中的科氏力作用是环太平洋地震带东西两岸构造差别形成的原因；大西洋两岸不是地震带，因而没有象太平洋两岸那样明显的构造差别，科氏力的放大作用不容忽视^[2~5]。

近年来，中国北方的沙尘暴愈来愈频繁。专家认为，高温、少雨和超常强烈频繁的春风等自然因素，以及过度开垦、放牧和砍伐森林等使生态恶化的人为因素，是其形成原因。西北沙漠带地处青藏高原、天山山脉、阿尔泰山脉和蒙古高原之间，是北半球西风带的天然的风道，有丰富的沙源，高温、少雨和过度农、牧、林业生产使湖泊萎缩，湖底砂石出露，形成类似咸海地区的沙漠化过程。天然风道中的强风使黄土东飘，沙漠东扩，是地质时期黄土高原形成的原因。青藏高原高于6000米的冰山雪原集中在西南部，是印度河、恒河、湄公河和长江的丰富水源；而青藏高原东北部较低，冰融雪消使黄河的水源已日趋枯竭。近5000年来中国西北的沙漠继续东扩，中国京城随沙漠的东扩而东迁，这表明沙漠化的自然趋势难以逆转，而人类过度开发和对地表水资源的破坏则加剧了沙漠化的自然进程^[4~7]。

温差和潮汐力引起的地球流体与固体的差异旋转在科里奥利力的作用下得到加强，信风、台风、风暴潮、海流环陆运动和异常大潮是明显可见的实例。认真研究微小能量逐渐积累和增强的机制，对全球气候变化的全面认识大有帮助。

二、潮汐产生的流体相对固体的差异旋转

   设三轴椭球体的三个半轴分别为a≥b≥c，纬度为θ，经度为ψ（变化范围都在0^o到90^o之间），不同经纬度的部分椭球体体积为^[5]

 V =8a²b²c arctan[（a tanψ）/ b]sinθ/ 3（a²b²sin²θ+b²c²cos²ψcos²θ+a²c²sin²ψcos²θ）^1/2    

在地球整体体积不变条件下，当a= b，ψ= 45^o，θ= 90^o，da= - db，dc = 0，有微分公式

dv = 8ac da / 3                                                      （1）

当ψ= 90^o，a = b，db = 0，da/a = - dc/c时，有微分公式（体积增量的近似值）

dv = - 8πc²a³tanθ dc/3（a²tan²θ+c²）^3/2                                （2）

             表1 地球潮汐形变产生的部分经纬度体积变化及相关地质现象^[5]

计算结果表明，月亮在赤道时产生的半日潮使气圈、水圈和液核分别有54181864、43275和3103km³的体积绕固体地球向西运动，形成赤道高空风、西向海潮和液核表层西向漂移。由于地形的阻挡，形成大气、海洋和液核的涡旋、湍流、环陆运动和异常大潮以及冷暖海水的上下和东西向振荡与混合。岩石圈和下地幔分别有2754和10599km³的体积胀缩，是其中熔融部分流动、上涌和喷发的动力。

太阳相对地球在南北回归线之间的摆动，使流体相对固体南北振荡与混合。地球在春分和秋分扁率变为最大，形成赤道大潮，两极高纬地区分别有6605998、5251和368km³体积的大气、海水和液核流体通过临界纬度（35^o）流向赤道，并在科氏力和西向引潮力作用下加速向西漂移，使各圈层自转速度变小，差异旋转速度增大，高纬地区排气排液活动强烈，其中大气对流层日长增加最为显著，为97秒，是岩石圈日长增加值（0.00027秒）的359259倍。地磁活动在两分点达到最大值是其证据^[5]。这是两极冷水入侵赤道并使大洋西部暖水变冷的主要原因。1997年发生在春分和秋分附近的4次交食和行星冲日，加大两极冷水入侵赤道西太平洋使暖水东移的强度，形成了1997年的强厄尔尼诺事件^[6，8]。

反之，地球在夏至和冬至扁率变小，低纬排液排气强烈，形成赤道低潮，赤道海平面下降，暖水暖风流向两极使地球自转变快，它们在科氏力作用下向东漂移，加强赤道逆流，减弱赤道信风。特别是从秋分到冬至，日地距离变小，引潮力变大，半日潮产生的强烈振荡高值区由赤道向南北回归线偏移，形成低纬大洋南升西移北降东移的顺时针昼环流和南降东移北升西移的逆时针夜环流，昼夜反向环流和最大幅度南北振荡加强了冷暖水的混合，南极极昼形成的大气南北对流使赤道以北的太平洋赤道逆流暖水南移。在南美厄瓜多尔和秘鲁沿岸，由于暖水从北边涌入，每年圣诞节前后海水都会出现季节性增暖现象^[8]。月球在赤道南北的摆动加强这一效应，形成混合冷暖海水的强烈振荡，行星冲日、大潮和近地潮的叠加形成最大值效应——厄尔尼诺^[6]。

从1822年到1998年，有31年无月食。其前后一年内不发生厄尔尼诺事件的仅有4年，其前后2年内都发生了厄尔尼诺。无月食年是预测厄尔尼诺的重要依据。2002年无月食，所以，2001~2004年内必发生厄尔尼诺。这些运动除了半日(半日潮)、半月(大小潮)、半年(春分秋分赤道大潮)、2年(赤道高空风)、8.85年(月球近地点进动)、18.6年(月球赤纬角)、60年(甲子)、2万年(近日点)、4万年(黄赤交角)、10万年(轨道偏心率)周期外，还有任振球^[9]、许靖华^[10]和Bond^[11]发现的1200~1800年(潮汐极值^[12])和Heinrich^[13]发现的1万年(春分或秋分在近日点，可形成赤道最大潮，Heinrich冷事件周期是其证据^[13，14])周期变化。

强潮汐不仅使深处冷水上翻降低大气温度^[12]，而且加快海洋吸收大气CO₂的速率，减弱温室效应，在短期内使地球大气变冷，使深部海水变暖。强潮汐效应所产生的海底火山强烈喷发从整体上加热海水，是全球气候长期逐渐变暖的原因^[6]。信风使冷暖洋流分别集中在赤道大洋的东西两侧^[8]，太平洋与大西洋的区别在于有集中的火山地震带和大于90^o的两侧经度差，形成太平洋东部与西部的潮汐高低潮的反相位。因此，1950px的强潮汐高差在东西太平洋的反向振荡可抵消西太平洋暖水海面高差（1000px^[8]），强迫冷水上翻和暖水东向运动，强烈的振荡混合作用降低东西海水温差，加强赤道逆流，形成厄尔尼诺。我们称之为“强潮汐海温均衡效应”。东太平洋海底火山在强潮汐作用下强烈排液排气，是降低东太平洋气压、形成厄尔尼诺的激发因素^[6]。  

对第三纪早期的普遍变冷起作用的明显构造事件是巴拿马地峡的封闭，迅速变暖和较长的变冷由轨道参数的周期性所决定^[15]。阻挡大西洋赤道暖流进入东太平洋，加强秘鲁寒流，是气候变化的原因。同理，南美洲与南极大陆的分离造成环绕南半球强烈的西风漂流，阻挡赤道暖流南移，生成南极冰盖并维持其稳定的存在^[15]。赤道和两极的最大温差可加强大气环流、西风漂流和秘鲁寒流，形成拉尼娜冷事件；反之，则形成厄尔尼诺热事件。它们亦受轨道控制。在太阳活动高值期，强太阳风暴中的高能离子沿磁力线进入大气层两极区，降低赤道与两极的温差，有利于厄尔尼诺热事件的形成；反之，太阳活动低值期则有利于拉尼娜冷事件的形成。这种强化反馈作用是致热（冷）能量的重要放大机制。如果把巴拿马运河变为海峡，形成印度洋型暖流分布，就会降低东西太平洋两侧表层水的温差（在3~6^oC之间^[8]），消除厄尔尼诺/拉尼娜极端气候振荡的形成根源^[5，16]。    

三、涡旋能量的积累与科里奥利力的放大作用

气象学中经常将兰金涡旋作为台风涡旋的初步近似。在不可压缩的流体中，取半径为a的平面圆形涡旋。若其内涡度ζ_z为均匀常值，在涡旋外的流体中ζ_z = 0，此涡旋称为兰金复合涡旋。它与圆形转盘所产生的空气涡旋是完全一致的。设半径为R的静圆盘上有一同心的半径为a的转动圆盘，其上方的压力分布为^[17]

      P₁（r，z）= P₀– gρz–ω²ρa²（1 – r²/2a²）     （r ≤　a）     （1）

      P₁（r，z）= P₀– gρz--a ⁴ω²ρ/2r²            （a≤ r ≤R）    （2）

其中，ω为角速度，ρ为空气密度，g为重力加速度，z为离地面高度，P₀为地表大气压，r为圆盘矢径。忽略高差不计，圆盘上下方的压力差为

       △P=ω²ρa²（1 – r²/2a²）     　（0≤　r ≤a）          （3）

△P= a ⁴ω²ρ/2r²               （a≤ r ≤R）            （4）

积分后可得转动圆盘部分升力值F₁和静圆盘部分升力值F₂分别为

F₁=3a⁴πω²ρ            （5）；         F₂=πω²ρa⁴ ln（R/a）   （6）

取a=1m，R=2.72a，ω=80π/s，有F₁=19636kg，F₂=26182kg，合计升力为45818kg。涡旋产生的上升力与气垫船原理相反，可积小力为大力（多个小旋涡可合成一个大旋涡），是飞行体的理想升空机制。龙卷风就是涡旋能量不断积累的结果。积累通过量变达到质变。在海洋底层水温度较低时，强潮汐将冷水上翻，使大气变冷，底层海水变暖，形成小冰期^[12]；在海洋底层水温度因不断积累而变得较高时，强潮汐将海底热水、岩浆和热幔柱上翻，形成白垩纪温暖期^[5，16]。

自然灾害的形成都需要类似的能量累积和放大过程。由于地球自转，流体相对固体的水平运动和垂直运动因科里奥利力的作用而得到加强，落体偏东，离极运动偏西（如秘鲁寒流的产生^[15]），冰山（假定不融化，不计流体阻力，质量为10⁴kg）从两极漂移到赤道，西向速度由零增加到465m/s，能量由零增加到10⁹J（反向运动亦成立，如台风）。科氏力是流体运动能量的放大器。温度梯度产生的空气流动在科里奥利力作用下加强为极强的信风，是导致海水运动的主要动力。强信风作用加强海洋环流（特别是秘鲁寒流），形成“类拉尼娜”冷事件，加快赤道与两极的热交换并降低温差，产生减弱信风作用的反馈机制；信风减弱，海洋环流特别是秘鲁寒流减弱，形成“类厄尔尼诺”热事件，减弱赤道与两极的热交换并加大温差，产生加强信风的反馈机制。类厄尔尼诺热事件与类拉尼娜冷事件互为因果，相互转换，只是强弱程度不同而已。地质记录表明，温暖的地球就标志着海洋中比较停滞的环流和赤道与两极较低的温差^[15]。信风减弱是连接两者因果关系的中间环节。

公元1800年前后200年分别发生51和81次厄尔尼诺事件，表明太阳活动高值期有利于厄尔尼诺事件发生。这也是太阳活动低值和强潮汐运动对应15~19世纪小冰期的一个原因^[9]。在整个中生代，全球各大陆集中在一起，形成一个几乎从一个极延伸到另一个极的巨大的单一陆块，这种轮廓肯定有助于周围大洋中的高效率向极热输送^[15]。同理，德雷克海峡被扩展的南极冰盖封闭，导致气候上隔离的环极西风漂流带的消失，加强赤道热流向两极的输送，使扩展冰盖趋于消失。这是南极冰盖不能扩展成南半球大冰川的一个重要原因（南半球大陆少是另一个重要原因^[6]）。近赤道地区，常常出现巨大的旋转气流——台风。台风中心气压低，周围空气被吸入中心，由于科里奥利力作用，在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转，并在向两极运动中逐渐加速且不断吸收其它涡旋增大其能量。据统计，在西北太平洋和南海地区生成及登陆我国的台风个数，厄尔尼诺年（27和6个）比常年（29和7~8个）少，拉尼娜年（31和9个）比常年多^[8]。这表明赤道与两极的高温差是拉尼娜发生和台风数增加的共同原因。与此相反，1951年以来东北地区发生的6次严重低温冷害年（1954、1957、1964、1969、1972、1976），大都与厄尔尼诺事件的发生有关^[8]，是厄尔尼诺事件增大两极与赤道之间温差的证据。

就一般而论，冷区的气压高，热区的气压低。奇怪的是，最冷的两极，特别是南极大陆气压反而最低，为986~994毫巴（其它地区的最高气压为1034毫巴）。由于地球上流体与固体差异旋转，南极大陆冰川恰如旋转圆盘，形成的南极大气涡旋使南极气压变低，阻挡大气热流进入，使南极大陆冰川稳定存在并产生平流层的巨大的臭氧空洞。行星、月亮和太阳潮汐力的综合作用，周期性地加强或减弱地球流体与固体之间的差异旋转，使大气环流和大洋环流发生变异，形成厄尔尼诺、拉尼娜和臭氧分布的强烈变化，造成巨大的自然灾变^{[6，7，16，17]}。根据轨道周期，我们成功地预报了2001年中国北方的严重旱灾^[18]。地质构造影响流体差异旋转的实例还有巴拿马地峡的封闭和德雷克海峡的开放，它们为构造运动决定气候变化的理论提供了充足的证据^{[15,16,18~26]}。由于多种因素的影响，单一周期不是简单的重复其主导的各种现象，而是附加了其它因素变化产生的加强或减弱效果。

流体和固体的差异旋转造成强烈的相互摩擦，潮汐摩擦产生的热能集中在流体与固体的边界上，如陆海边界和核幔边界。地幔及核幔边界在潮汐力下的周期变形强迫液核表层隆起部分西向运动，粘滞阻力和滞后效应加强核幔角动量交换，在核幔边界积累大量热能，是地球排气、地磁活动和热幔柱活动的不竭能源。地球自转速率的十年际变化的振幅可达几个毫时秒量级，这种变化也许只能用核幔之间的角动量交换来解释^[27]，与太阳黑子活动11年周期相对应。太阳活动产生的太阳风强度的变化，使向阳面地球磁层受到周期性的增强压缩，加强核幔角动量交换，影响地壳地幔的旋转速度^[23~26]。潮汐滞后效应是地球自转减慢的一个原因^[28]。计算表明，约3%的来自地表的热流是由潮汐能造成的，这些热流足以产生每年约30km³的岩浆^[29]。白垩纪时，万有引力常数增加5%，日地距离、月地距离减少5%，日月引潮力增加20%，强烈的潮汐摩擦在核幔边界积累大量热能。这是白垩纪强烈火山活动的基本原因^[20]。对近百年全球气候变化与外强迫因子信号检测的结果表明，火山活动是影响ENSO的最重要的外强迫因子^[19]。它不但揭示了构造活动与气候变化的关系，而且使厄尔尼诺的海底火山说^[30]、引潮力说^[31]和地球扁率变化^[6]说得到有力的支持。综合分析表明，火山活动、构造运动、大陆漂移和陆海分布是气候变化的第一位因素^[16，20~26]。

四、局部灾害全球化问题

由于流体快速的差异旋转和能量放大，世界各国面临局部灾害全球化问题。进入平流层下层的火山灰可以扩散到全球，在中高纬度保持最大浓度，最后在极冠下落，形成阳伞效应^[31]。它不仅严重影响极地对太阳能的吸收，而且是臭氧洞产生和火山活动影响ENSO的最重要原因，它们有非常好的对应关系^[5，6，19]。最新研究发现，非洲撒哈拉沙漠的沙尘飘洋过海飞落到美国；中国西北沙漠的东扩不仅使中国京城不断东迁，而且使中国北方干旱、缺水和沙尘暴日趋强烈；沙漠东扩使干旱气候范围不断扩大，2001年中国东北的北部出现了历史上未有过的高温，朝鲜和南韩发生了百年未遇的旱灾。灾害全球化使各国的利益休戚与共，以邻为壑的政策必然自食其果。

                              参考文献

1.戴闻，高政祥。玻色—爱因斯坦凝聚的今天和明天。自然杂志。2000，22（6）：332~335

2.杨学祥，术洪亮。环太平洋地震带与柯里奥利力。西北地震学报。1995，17（4）：13~16

3.杨学祥，陈殿友。地幔对流中的科里奥利力。长春地质学院学报。1960，26（2）231~236

4.杨学祥。全球气候变化的趋势与灾害经济管理。中国学术期刊文摘（科技快报）。2001，7（6）：730~731

5.杨学祥。地球形变产生的岩石圈、水圈和气圈等差异旋转。中国学术期刊文摘（科技快报）。2001，7（7）：902~904

6.杨学祥，陈殿友。构造形变、气象灾害与地球轨道的关系。地壳形变与地震。2000，20（3）：39~48

7.杨学祥。全球变暖、构造运动与沙漠化。地壳形变与地震。2001，21（1）：15~23

8.中国气象局国家气候中心。’98中国大洪水与气候异常. 北京: 气象出版社, 1998.  92~101

9.任振球. 全球变化.北京:科学出版社,1990.106~109,133~134.

10.      许靖华. 太阳、气候、饥荒与民族大迁移.中国科学, D辑. 1998, 28(4): 366~384

11.      Bond G, Showers W, and Cheseby M, et al. A pervasivemillennial-scale cycle in North Atlantic Holocene and glacial climates.Science, 1997,278:1257~1266

12.      Fred Pearce, Tidal warming: Is the moon turning upthe Earth’s thermostat? New Scientist, 2000, 166（2232）: 12

13.      Heinrich H. Origin and consequences of cyclic icerafting in the Northeast Atlantic Ocean duringthe past 130000 years. Quaternary Research,1988,29:142~152

14.      汪品先, 翦知湣. 寻求高分辨率的古环境记录. 第四纪研究. 1999，(1): 1~17

15.      L. A. 费雷克斯. 地质时代的气候. 北京: 海洋出版社,1984. 315, 244

16.      杨学祥。太阳活动驱动气候变化的证据.中国学术期刊文摘(科技快报).2000,6(5):615~617

17.      余志豪，王彦昌。流体力学。北京：气象出版社，1982。154~157

18.      杨学祥。警惕严重旱灾重演。科学新闻周刊。2001，（5）：13

19.      侯章栓, 李晓东. 近百年全球气候变化与外强迫因子信号检测. 北京大学学报(自然科学版).2000,36(5): 641~650

20.      杨学祥，陈殿友。火山活动与天文周期。地质论评，1999，45（增刊）：33~42

21.      杨学祥，陈殿友。热幔柱构造与地核热能。地壳形变与地震。1996，16（1）：27~36

22.      杨学祥，张中信，陈殿友，等。地核能量的积累与释放。地壳形变与地震。1996，16（4）：85~92

23.      杨学祥，陈震，刘淑琴，等。地球内核快速旋转的发现与全球变化的轨道效应。地学前缘。1997，4（2）：187~193

24.      杨学祥，陈殿友，李守春。干旱、地震与月球赤纬角变化。西北地震学报。1999，21（1）：44~47

25.      杨学祥。对冰期和小冰期气候变化因素的探讨。自然杂志。2000，22（6）：358~362

26.      杨学祥。地球反对称构造与气候变化的关系。自然杂志。2001，23（3）：135~139

27.      高布锡，胡辉。对地球自转变化的研究已成为大地测量学和地球物理学领先和重要的科学分支。见：叶笃正主编，地球科学：进展趋势发展战略研究。北京：气象出版社，1992。81

28.      杨学祥，陈殿友。地球差异旋转动力学。长春：吉林大学出版社，1998。44

29.      威利。动力地球学。北京：地质出版社，1978。301

30.      刘厚赞，刘辉，俞永强。海底火山喷发引发厄尔尼诺事件的数值模拟. 气象学报. 1998,56(5):602~610

31.      郭增建,秦保燕,郭安宁. 地气耦合与天灾预测. 北京: 地震出版社,1996. 116~117，135~138，198

           Differential Rotationbetween Solid and Fluid of the Earth and Climatic Changes

                            Yang Xuexiang

Professor，Geo-exploration College of Science and Technology，Jilin University, Changchun 130026； National AstronomicalObservatories, Chinese Academy of Science, Beijing100012

Key words：Coriolis force，tidal force，differential rotation，El Nino，amplifiers

文献来源：杨学祥.  地球流体的差异旋转与气候变化. 自然杂志. 2002, 24（2）: 87－91