大气/海洋模拟中的科里奥利力

Question

科里奥利力不是一个真实的力，但取决于参照系以及它如何与惯性系联系。在大气/气候模拟中广泛使用的科里奥利力是否可以被一种显式力(如太阳引力)所取代，这是否会给出相同的结果?

Answer 1

以下是你对大气建模的选择。这样的例子不多，只有一个说得通。

1. 从惯性参照系的角度建立大气模型。
   祝你好运!正如一位顾问几十年前告诉我的，“举一个!”它当然不是一个以地球为中心的框架;地球绕着太阳转。它当然不是太阳心系;太阳围绕木星、土星、天王星和海王星运行。它肯定不是太阳系的重心(质量中心);太阳系围绕着银河系运行。银河系的重心?没有。 The Milky Way and the Andromeda galaxy are accelerating toward one another. No matter how far afield we look, we see gravity (and even further afield, metric expansion of space) that hides this inertial frame from us.

2. 使用一个以太阳系重心为中心的非旋转框架。
   国际天体参照系就是这样一个参照系。这或多或少是一个可构建的框架。在这里，我们要么忽略要么解释了指向银河系中心的加速度，仙女座星系，以及更远的东西。忽略那些无关的加速是有道理的;它们非常非常小，而整个太阳系的变化就更小了。这种构造还有另一个问题。国际红十字会几乎肯定是轮换的。ICRF的前身J2000框架:科学家现在知道它是旋转的。J2000框架的前身B1950框架也是如此。事实上，科学家知道ICRF是旋转的。ICRF已升级至ICRF 2.0版本。这也是旋转。科学家们只是不知道有多少。

3. 使用一个以地球质心为中心的非旋转框架(又名地心惯性)。
   即使ICRF是完美的在美国，没有办法从这样一个框架的角度在计算机程序中合理地模拟地球的大气层。正确模拟大气所需的长度和速度尺度与使用太阳系重心框架的长度和速度尺度并不匹配。油和水。更糟糕的是，这是芝麻街时刻!(“有些东西和其他东西不一样，有些东西就是不属于这里。”)
   不属于太阳系的是太阳系的重心。模拟地球大气层的唯一合理方法是使用以地球为中心的视角。现在，一个计算机程序开始有机会以一种计算上可行的方式来表示大气。一个以地球为中心的坐标系正在加速，但我们可以处理。我们可以假设$\vec F=m \vec a$仍然适用。这导致了虚构的潮汐加速度。这不是问题。物理仍然有效。

4. 使用一个以地球为中心，地球固定的参考系。
   选项3中描述的以地球为中心的惯性系仍然存在一个问题。地球、大气和海洋都在以不同的速度旋转。这意味着“开始有机会”有点过于乐观了。使用一个和地球一起旋转的坐标系会更有意义。这就增加了更多的假想力，离心力和科里奥利力，但同样，这不是问题。事实上，这简化了事情，使气象学家终于有机会以一种计算上可行的方式来表示大气。

选项4，一个需要虚构的第三体力(又名潮汐力)，虚构的离心力，虚构的科里奥利力，是唯一的选项，从建模大气的角度来看有点意义。

Answer 2

科里奥利加速度只存在于旋转参考系中，就像地球的情况一样。科里奥利效应是由地球自转和受到这种效应的物体的惯性引起的。如果你在一个惯性参考系中，因此没有加速，就不会有科里奥利效应。

让我们假设您能够将地球上的运动建模为太阳系模型的一部分，参考框架以太阳为中心(并假设它没有加速)，那么就没有必要包括科里奥利效应。

Answer 3

如果你的问题是:我有一个力项$F(x,t)$的方程，假设$F(x,t)$是由效应A引起的，那么方程的解是否与力$F(x,t)$是由效应B引起的一样，那么答案当然是“是的”。相同的力(即，相同的大小，相同的方向)总是会引起系统的相同反应，不管这个力来自哪里。

当然，科里奥利力有一个非常特殊的形式，你将很难找到任何其他物理效应，会导致一个力项，恰好有完全相同的形式。