如何让太阳从西边升起？

三个月前，边肖在问答专栏收到一位读者的提问——如果地球自转倒转会发生什么。

天啊，那真的是太阳从西边出来了。

想象力太丰富，我们只能用时间反演来模拟太阳从西边升起。

不愧是我们二中的读者，轻易就提出了我做梦都不会想到的问题当时就想脑洞大开，放到我们周五的问答专栏里结果这篇文章一下子被主编抓住了，说是个好问题，建议扩展成文字好吧，那我们来想想《地球作为旋转非惯性系在自转方向反转时和反转后可能出现的物理现象》这本书怎么写

1逆转地球自转。

如果我们把地球自转反转定义为一个长期过程，就像流浪地球计划第一步中的制动时代，用一堆建在赤道附近的行星发动机给地球一个反转力矩，那么我们就可以估算出在合理的时间内实现反转需要什么配置的行星发动机。

取11.2km/s的第二宇宙速度，保证大部分工作质量在被抛射后不会被地球引力拉回至于反向旋转的预计时间，就让它按照当初设定的42年完成自转的刹车吧然后根据简单的角动量和动能守恒定理，可以计算出地球反转需要83.65年，共消耗1.21×1031J能量，占地球质量的3.25%对应的功率高达4.60×1021W，即其一秒钟的能耗相当于2021年全球发电量的45倍

East注入，那么就给出了注入前后系统的总角动量守恒。

忽略二阶小量，简化。

，但那样微分方程就会变得极其恶心为了偷懒，这里假设地球半径不变，那么全部代入就可以得到

杰德

粗糙的

或者写

粗糙的

粗糙的

粗糙的

，和粗略的数值相差不大。

逆转自转需要83.89年，比84年略短，因为后半段地球质量一直较轻。

年，因为半径的减小也会减小转动惯量整个过程会喷掉地球质量的3.246%，减少地球半径69.7km，似乎喷掉地壳还不够，但这里不考虑这个bug

我们来考虑一下整个过程的能耗。工质从地表输送到赤道后，再喷射回来，得到的动能增量为

地球自转动能的变化是

。感谢收看美丽公式:—)

当然这个计算值太大了，因为我们在计算过程中把地球看成一个均匀的球体但实际上，地球的密度伴随着深度的增加而增加，这样转动惯量就会比均匀球体的转动惯量小可是，目前的结果足以作为震级的估计

如果这个能量是通过核反应获得的，就需要1351亿吨的质量缺陷。目前人类科技树顶端的能量获取方式是核聚变，如正在研制的东方超环，主要采用DT聚变:

即使核聚变能源的利用率能达到100%，也需要1.4万亿吨氘和2.1万亿吨氚才能逆转地球氘占海水的0.003%，储量4万亿吨，应该够了虽然氚在地球上的储量不多，但在反应堆中加入锂就可以生产和销售

放热，但消耗中子。

吸收热量，但不消耗中子

但目前已探明的锂矿产资源在千万吨量级，所以我们还是要把重点放在月球上隐藏的氦3矿藏上，利用氦3的各种聚变反应为发动机提供动力。

让我们考虑单个发动机的功率原著中，赤道附近布置了2000台舵机，每台发动机的功率要均匀达到2.3×1018W目前世界上最大的核裂变电站的功率只有8×109W，如果换算成5750亿台就够了

2000舵机示意图，请忽略右边的10000推进发动机。

但另一种方法是在太阳周围建造一个可以吸收辐射能的戴森球考虑到太阳的辐射功率为3.74×1026W，只要我们对它的利用效率能达到十万分之一，我们就能轻松完成按计划逆转地球的壮举

如果无法想象，请用右脚站立，然后用左脚将自己向后推这时，你会看到你周围的一切都从右向左移动这是我们在主星上看到的星星从东方升起，在西方落下的状态那么反转之后，西方的日出和单薄的东山应该不难想象了实际上，在太阳系中，金星和天王星自东向西旋转

太阳系八大行星+冥王星的自转方向

星星的升降方向颠倒会导致一个有趣的现象:每年多出两次日出，每个月多出两次月出。

现在考虑一个小问题:已知金星自转周期为243天，公转周期为224.7天那么有没有一个金星年看不到的完整日出日落呢

你可能不假思索地回答，自转周期比公转周期长，所以看不到事实上，如果金星从西向东旋转的方向与其公转方向相同，它看起来会是这样的

金星上这样一个太阳日相当于1/= 2983.7天，相当于13.3金星年可以说，日子真的是度日如年但是再想想，金星的自转方向是从东向西，应该是这样画的

看出区别了吗因为旋转和公转的方向相反，所以它们的相对转速是叠加的所以实际上金星上的一天相当于1/=116.7天，略长于半个金星年

所以在两种情况下，一个金星年有多少个金星日你不妨试着转换一下前者是0.075金星日，后者是1.925，两者之和正好是2想想看，这是巧合吗

现在，你可以想象一下，如果地球的自转倒转，月亮一个月升降两次，太阳一年升降两次相应地，地球上的一年将变成367.24天，一天的时间将缩短470秒，潮汐的周期也将相应缩短

如果你仍然不能想象，这里有一个严重的发挥你只需要两个大饼来模拟这种现象，可能会帮助你更好的理解

科里奥利力将反向。

什么是科里奥利力别被这家伙的名字吓到先看图

科里奥利力的实验演示

上面的运动画面是在地面参考系中拍摄的，球被释放后以原来的速度方向飞出下面的电影是固定在旋转参考系上的从旋转参照系看，球的轨迹是向右弯曲的，好像是被迫向右实际上这个轨迹的曲率是由参考系本身的旋转引起的，本质上没有力作用在球上为了方便旋转系统中的人们描述这种现象，我们假设了一种惯性力，也就是所谓的科里奥利力，或者地理学中的地转偏转力

但是对物理图像的理解有些欠缺不要慌，我们以北半球为例，讲一下这个偏置力是怎么来的

如果你移动到一个旋转系统的中心，比如从赤道到北极，你会越往北越靠近旋转轴如果你保持与地球相同的角速度，那么你的线速度会逐渐减小，这意味着你必须被迫向西但是在地球参考系中，你在东西方向是不偏转的，所以为了平衡向西的实际力，我们需要假想一个向东的力另一方面，如果你从北极走到赤道，你的线速度增加，你必须被迫向东，但为了在地球参考系中保持平衡，你需要一个向西的假想力这说明在北半球，对于径向运动，与运动方向相比，总会有一个向右的力

但这种效应在地球上非常微弱有多弱如果在北纬40°从200米的高度自由落体，落体只会向东4.75厘米所以这种效应主要影响大尺度现象

在分析了径向运动之后，接下来就是切向运动，这需要一点圆周运动的基础如果你向西移动，就像下图左起的那个，你会发现你的线速度变小了，甚至静止了这样，保持圆周运动所需的实际向心力就会减小，说明你受到了额外的径向向外的力为了从旋转系统的角度保持力的平衡，你需要想象一个径向向内的力另一方面，如果你向东移动，就像下图右图一样，你的线速度会增加，所需的向心力会增加，这意味着你受到一个径向向内的力(也就是地面对你的支撑力减小)为了保持平衡，有必要想象一个径向向外的力这说明总会有一个切向运动的虚力，在北半球是向右的，在南半球是向左的

了解了科里奥利力，就能明白为什么北半球的气旋通常是逆时针方向的，而南半球的气旋是顺时针方向的中心气旋是一个低压区，周围的空气涌进中心区时会受到科里奥利力，中心区在北半球是偏右的结合运动路径，它将是一个逆时针方向的漩涡

北半球气旋形成示意图

北半球的台风山竹和百里嘉，很抱歉用这种方式知道这么好吃的水果。

南半球的气旋Baziret，图中的岛屿是马达加斯加。

我们来看看旋转反转后会发生什么以北半球为例，科里奥利力会从右向左变化从上到下，原来的大尺度气旋是逆时针向内辐射，现在会顺时针向内辐射沿着河流的方向，右岸的河流侵蚀比左岸大，但现在会变得更大信风的东西方向将会逆转，洋流和气候将会发生巨大的变化也许大西洋的水汽会伴随西南信风来到撒哈拉沙漠，把它变成热带雨林

为什么要在标题上打问号因为地磁场的形成机制目前还是一个未解之谜，所以也在2021年被《科学》杂志评为世界最前沿的125个科学问题

目前地磁场理论的主流起源是地核发电机模型，认为地核外核有熔融的铁和镍对于这些熔体来说，越深的部位温度越高，所以在温差的作用下会上下流动但它们不是垂直升降，而是在科里奥利力的作用下螺旋上升/下降如果这种螺旋对流在某一时刻产生了种子磁场，熔体中的阴，阳离子就会受到洛伦兹磁力，形成电流，电流又会再次形成磁场，加强种子磁场这种反馈机制不断叠加，最终形成稳定的地磁场

根据第三节的讨论，科里奥利力反转后，电流的螺旋方向会反转，可能导致地磁反转但目前地核内部环境仍是个谜，地核发生器的模型也没有经过严格的实验检验，因此地磁场的真正起源还需要学术界进一步研究

导电流体在科里奥利效应下的流动形成多重螺旋对流，从而产生磁场。结论5

脑洞归脑洞，地球离谁远，谁就围着谁转该催稿的还是要催稿不过偶尔做梦顺便复习一下理论力学也不错

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