水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

作者: 分类: Q烛生活 发布于:2020-07-19 211次浏览 17条评论

「水往上流」是台东都兰着名的景点,在斜坡道路旁的一弯沟渠,看似违反地心引力地缓缓向上流动,一旁刻着「奇观」的大石头虽然显得俗气(图一),但这般景緻倒是真的足以令人思索:水真的可能往上流?

水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

图一、台东都兰「水往上流」景点(取自http://blog.vichuang.tw/2012/08/taitung_26.html)

提到地心引力,总会让人联想到牛顿与他的苹果,西元1687年,牛顿发表万有引力定律,指出任意两个具有质量的物体间存在互相吸引的力量,吾人得以了解为何麦可乔丹灌篮后会落回地面,于是不用担心跳太高会飘到外太空的问题。而后将地球对其上物体的吸引力称之为重力,进而形成「物体会向低处落下」或「水往低处流」的想法。然而这样的想法似乎并非适用在地球上的每个地方。

英国苏格兰的艾尔郡(Ayrshire)有个名为Electric Brae(电动斜坡)的斜坡,车辆在斜坡上会自动地、缓缓地向斜坡顶端移动,彷彿是搭乘电扶梯一般而获得 Electric Brae的称号,为此,当地特别在下坡方向设置警告标示「Slow Vehicles Ahead」,提醒下坡车当心前方车辆可能因为斜坡上神奇的拉力作用而减速(见图二)。

水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

图二、英国艾尔郡之「电动斜坡」(取自http://blog.nathanng.com/?p=6)

另外,美国加州圣塔柯斯镇(Santa Cruz)郊区有个神奇小木屋,人们在里头可以轻易站上墙壁或看见球向坡顶滚动等奇异现象,被人们称作Mystery Spot(见图三)。

水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

图三、美国Mystery Spot之异常力学现象(取自http://www.forteantimes.com/features/articles/175/gravity_anomalies.html)

这类异常现象常被披上「科学无法解释」的神秘面纱,但科学家总会试图证实或破解。那幺,「水往上流」、「车辆自动向上移动」或「球向坡顶滚动」等现象,要如何从科学的角度来理解呢?

根据万有引力定律,物体所受的重力取决于物体本身质量大小以及该处与地球质量中心的距离,由于地球并非完美的圆球,随着大地起伏,距离地球质量中心的距离不尽相同,因此在各点所造成的重力场也有所不同。将相同大小的重力场连线,可以绘製出「等重力面」,又称为「水準面」。等重力面并不会完全吻合地形面,前者变化通常较后者缓和,也就是邻近区域的重力场不会有太大差异,因此由地形面的高低一般可以直接判断物体所受重力的大小,地势高处所受重力较小,则重力位能大,反之地势低处所受重力较大,重力位能小,又能量的传递总是由高至低,于是物体会由重力位能较大处移动至重力位能较小处,造成水由高处流往低处的现象。

然而,地球上仍存在一些区域,其等重力面的变化较地形面剧烈,以图四为例,左侧地形相较右侧为低,但将各点与等重力线比较,左侧的重力位能却较右侧为高,依据能量传播,在这样的区域便会出现所谓「水往上流」、「车辆自动向上移动」、「球向坡顶滚动」等有趣而值得探讨的「重力异常」现象。

水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

图四、重力面异常示意图 (房子又悬空了…)

理解「重力异常」可能发生的原因后,接下来可以思考的问题是「重力异常与环境的关係」。由于地球重力场与地底质量密度有关,倘若地球是均质结构,也就是组成成分都相同(如图五a.),由剖面来看,等重力线为一均匀的圆,然而真实的地球并非均质构造,各个地区的组成物质大不相同,密度质量也不同(如图五b.),则等重力线也会随之变形,在地底密度较大处的等重力线会凸起,反之则等重力线会凹下。

由上可知,重力异常之区域通常暗示着地底下有密度较大的贵金属矿物,或者密度较小的石油等物质分布,透过重力测量,常常可以找到地底下蕴藏的珍贵矿产,提供研究或是能源开发之用。因此,重力异常不仅为有趣的自然现象,还能作为资源探勘之试金石,由此可知其重要性。

水一定往低处流吗?大地起伏之奥妙

图五、地球重力场受内部物质影响示意图

<<上一篇: