再论地球自转与飞机——向东飞和向西飞究竟有差别吗？
在我的前一篇日志中，提出了关于地球自转与飞机飞行的问题，焦点是在由西向东自转的地球上，飞机东西向的航行是否会产生相对地面速度的差异。为此我们做了很多理想的假设，例如飞机沿赤道飞行、发动机功率可以始终保持不变、忽略起飞降落而只考虑空中巡航的过程，以及忽略高空风和空气阻力的影响。这个问题其实早已被解决，甚至早于飞机的发明，不过对它的讨论至今仍是物理与飞行爱好者们的热点话题之一，试在网络以 “飞机＋自转”或者“飞机＋地球”之类的关键字进行搜索，可以发现至少数十处探讨这一问题的讨论帖，这还不包括外文的网站。我将能找得到的讨论帖都看了一遍，总结出网友对飞机与地球自转这一问题的主要观点如下：
1) 认为飞机由东往西飞比由西往东飞快。理由是地球在自转，根据相对运动的原理，由西往东飞乃是“顺着”或者“追着”地球自转前进的方向飞，而由东往西飞则是“逆着”自转方向飞，若飞机的速度一定，前种情况飞机相对地面的实际速度为飞机速度减去地转速度，后种情况则相反为二者之和，因而前种情况势必会慢于后种情况；
2) 认为飞机升空后仍保持原先在地面上与地球同步转动的惯性，即具有一个与当地地转速度等大同向的初速度，而发动机提供的速度只是在这一速度上的附加效果，故飞机向东或向西飞行时相对于地面的速度其实是一样的，并不因自转产生差异。这可以用匀速前进的火车中的情形来类比：在这样的车厢里，往前走与往后走相对于车厢的速度是一样的，并不因火车的高速前进而有所差异，自转着的地球就好比这车厢，飞机则好比车厢里走动着的人。
以上第一种观点是最容易想到的，也是最容易犯的错误。倘若计算地球表面的自转线速度，会发现这一数值竟达每秒三四百米，是一个超音速的量级，那么按第一种观点，只有超音速飞机方能勉强做到从西向东飞行时相对于地面前进，而以亚音速飞行的民航客机则会发生不进反退的怪现象，于是从上海飞到东京将是一件极其困难的事情；更进一步，若直升机悬停空中，它势必将发现大地以每秒三四百米的高速向东退去，而地面上跳起来的人落地后更是已经在原地向西上百米开外的地方了。
第二种观点为绝大多数认真思考过的人持有，在一定程度上这也是完全正确的。然而地球是一个球体，虽然对于任意一点来说地球自转的方向总是由西向东，但在空间中看来，北京的“东”与纽约的“东”恰为两个相反的方向，它们所在处的自转前进方向也相反，惯性观点会发现这样的问题：短距离航行（经过的地面可以认为是个近似的平面）东西向无异，而长距离航行、尤其是跨越半球的航行就不知如何是好了。
再有，相信无论是持上述第一种观点的人还是持第二种观点的人，都不会否认飞机的南北向航行是一样的，并不像东西向航行那样容易产生争议。持第二种观点的人亦不会认为飞机在非赤道区域的东西向航行与在赤道上有什么区别。也就是说，无论是否考虑地球自转，飞机的南北向航行总是沿着经线的，而飞机的东西向航行总是沿着纬线的，这一点大家都能达成共识。其实这恰恰是一种很有欺骗性的想象，暂不拟细谈。
以上是针对理想模型的讨论，下面我们再来研究实际的飞机飞行状况。试看下表：
这是上海与西安两地间往返航班的时刻表，大致可以认为是飞机在东西两地间的往返情形。注意它们的运行时间差异：你没有看错，从西安飞往上海总是比上海飞往西安来得快，而且快不少！这说明什么呢？飞机从西往东追着地球自转方向飞反而比从东往西逆着飞要快！这一定令前面第一种观点的持有者非常恼火。考察国内其他往返东西两地的航班，会发现结论是一样的，即往东飞比往西飞更快——这用前面的两种观点都是不能解释的。
已经有很多人注意到了这一现象并展开了讨论，再将常见观点罗列如下：
a) 认为是地球自转的“离心作用”把由西往东飞的飞机“甩出去”了，所以从西往东飞更快；
b) 认为我国地势西高东低，从上海飞往西安相当于一路在“爬坡”，从西安飞往上海则相反，因此后者更快；
c) 这只是航线安排的差异造成的，就好像火车有时候要临时停靠避让一样，为了避开其他飞机，往返航线的路程可能不同。
d) 认为是季风之类的影响，即高空刮西风，顺风航行自然比逆风航行快。这种说法颇有争议，一经提出就遭大家反驳，理由主要有：
i、飞机在平流层飞行，哪里来的风呢？
ii、即便是风的作用，难道高空中常年存在强大的西风吗？
iii、若高空的确常年存在大风，根据中学地理学过的大气三圈环流模型，北半球中高纬的地面盛行西南风，由于大气的环流高空应该是相反东北风（忘掉的朋友可以重新把地理书翻出来查证），所以即便是风造成的差异也应该是上海到西安顺东风飞行更快呀；
另，虽然也有人指出高空存在西风，但对西风成因的解释不能令人信服。常见的解释认为，空气与地面之间有摩擦，因地球在自西向东转，通过摩擦作用会“带动”空气自西向东运动，即产生了西风。仔细思考可知，若高空风真是如此产生的，那么这个风速绝不可能大于地球自转的速度，地球自转与空气产生相对运动的效果一定是空中刮东风，摩擦作用至多只能使东风风速小于地转线速度罢了。
事实上，上述四种观点都有问题，不过也有闪光之处，感兴趣的朋友不妨多加思考。
我已将飞机与地球自转的问题写成了一篇科普性的文章，文中仔细剖析了常见的错误观点，继而详细回答了本问题的正解，并对与之有关的必要知识做了简要的介绍。欢迎大家与我讨论并指正我文中的谬误和不足。本日志只是一个引论，有兴趣的朋友请向我索取全文，我的邮箱是iwill419@sina.com或wangtianyi@hotmail.com。
另外声明：本人不是2007年江苏省高考理科状元汪天一，不过我向这位与我同名同姓的兄弟表示敬佩。
南京大学大气科学系2005级本科 汪天一
