如何让太阳从⻄边升起?

作者: 牧⽺

来源: 中科院物理所

发布日期: 2022-10-10 11:54:15

本文探讨了地球自转反转的可能性及其可能带来的物理现象,包括天文现象、科⾥奥利⼒的变化、地磁场的可能反转等。

三个⽉前,⼩编在问答专栏收到⼀位读者的提问——“如果地球⾃转反转会发⽣什么?”哦,我的上帝,那真是太阳打⻄边出来了。想象⼒过于丰富,只能⽤时间反演来模拟⼀下太阳从⻄边升起。不愧是咱们中⼆所的读者,轻易地提出了我做梦都不会思考的问题。当时我只是想浅开下脑洞放进咱周五的问答专栏⾥,结果这条⼀下就被主编⼤⼤抓住了,说是个好问题,建议拓展成⽂。

Well,那我们来想想这个《地球作为转动的⾮惯性系在发⽣旋转⽅向的反演时和反演后可能的物理现象》该怎么写吧。如果咱们定义的地球⾃转反转是⼀个⻓期的过程,就像《流浪地球》计划第⼀步的刹⻋时代,利⽤⼀堆建在⾚道附近的⾏星发动机“突突突”地给地球⼀个反向的⼒矩,那么我们可以估算⼀下⼤概需要什么配置的⾏星发动机才能在合理的时间内实现反转。

发动机靠反喷⼯质获得动⼒,忽略难算的⼤⽓阻⼒(可以建个烟囱直接把反冲⼯质送⼊太空),把有效的返喷速度取为第⼆宇宙速度11.2km/s,确保⼤部分⼯质喷出去后不会被地球引⼒拉回来。⾄于反转的预计时间,不妨就按原著的设定,让它⽤42年完成⾃转的“刹⻋”。

那么根据简单的⻆动量守恒和动能定理,可以算出让地球反转需要83.65年,共消耗1.21×1031J能量和3.25%地球质量的⼯质,对应的功率⾼达4.60×1021W,也就是说,它⼀秒消耗的能量相当于2021年⼀整年的全球发电量的45倍。

如果你不能想象,请⽤右脚站定,再⽤左脚向后猛蹬把⾃⼰转起来,这时你会看到周围的⼀切从右往左动,这就是我们在⺟星上看到的星⾠东升⻄落的状态。那么反转后,⽇出⻄⽅再⽇薄东⼭应该就不难想象了。其实在太阳系中,⾦星和天王星的⾃转⽅向就是⾃东向⻄的。

如果你向⼀个旋转系的中⼼移动,例如从⾚道⾛向北极,在你往北的过程中离转轴越来越近,如果你保持和地球⼀样的⻆速度,那么你的线速度会逐渐减⼩,这说明你肯定受到了向⻄的⼒。可在地球参考系上,你在东⻄⽅向上并没有偏转,所以为了平衡这个向⻄的实际的⼒,我们需要假象出⼀个向东的⼒。反过来,如果你从北极⾛到了⾚道,你的线速度增加了,肯定受到了向东的⼒,但为了在地球参考系上保持平衡,你需要⼀个向⻄的假象⼒。

这说明在北半球,对于径向运动,总是会有⼀个与运动⽅向相⽐偏右的⼒。为什么要给标题打个问号?因为地磁场的形成机制⽬前仍然是个未解之谜,它在2021年还刊登在了《Science》杂志上的全世界最前沿的125科学问题。⽬前主流的地磁场起源学说是地核发电机模型,它认为,地核的外核部分存在熔融态的铁、镍。对于这些熔融体,越深的部位温度会越⾼,所以在温差的作⽤下它们会上下对流。

但它们并不是竖直上升下降的,⽽是会在科⾥奥利⼒的影响下螺旋上升/下降。如果在某⼀时刻这种螺旋对流产⽣了⼀个种⼦磁场,熔融体中的阴阳离⼦就会受到洛仑磁⼒,形成电流,电流⼜会再次形成磁场并加强种⼦磁场。这种反馈机制不断叠加,最终形成了⽬前稳定的地磁场。

脑洞归脑洞,地球离了谁它都照样公转⾃转,该赶稿⼦的⼈还是得赶稿⼦。但偶尔做做梦,顺带复习⼀下理论⼒学也挺好的。

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