Реактивный поток -Jet stream

Полярный струйный поток может двигаться со скоростью более 180 км/ч (110 миль в час). Здесь самые быстрые ветры окрашены в красный цвет; более медленные ветры синие.
Облака вдоль струйного течения над Канадой.

Струйные течения — это быстрые, узкие, извилистые воздушные потоки в атмосферах некоторых планет, в том числе Земли . На Земле основные струйные течения располагаются вблизи высоты тропопаузы и представляют собой западные ветры (текущие с запада на восток). Струйные потоки могут начинаться, останавливаться, разделяться на две или более части, объединяться в один поток или течь в различных направлениях, в том числе противоположных направлению остальной части струи.

Обзор

Самыми сильными струйными течениями являются полярные струи на высоте 9–12 км (5,6–7,5 миль; 30 000–39 000 футов) над уровнем моря, а также более высокие и несколько более слабые субтропические струи на высоте 10–16 км (6,2–9,9 миль; 33 000 футов). –52 000 футов). В Северном полушарии и Южном полушарии есть полярная струя и субтропическая струя. Полярная струя северного полушария течет от середины к северным широтам Северной Америки , Европы и Азии и промежуточных океанов , в то время как полярная струя южного полушария в основном кружит вокруг Антарктиды круглый год.

Струйные течения являются продуктом двух факторов: нагрева атмосферы солнечным излучением , которое создает крупномасштабные полярные циркуляционные ячейки, ячейки Феррела и Хэдли , и действия силы Кориолиса, действующей на эти движущиеся массы. Сила Кориолиса возникает из-за вращения планеты вокруг своей оси. На других планетах внутреннее тепло , а не солнечное, приводит в движение их струйные течения. Полярное струйное течение формируется вблизи границы полярной и феррелевской циркуляционных ячеек; субтропическая струя формируется вблизи границы ячеек циркуляции Феррела и Хэдли.

Существуют и другие струйные течения. Летом в Северном полушарии восточные струи могут образовываться в тропических регионах, обычно там, где сухой воздух встречается с более влажным воздухом на больших высотах. Низкоуровневые струи также типичны для различных регионов, таких как центральная часть Соединенных Штатов. Имеются также струйные течения в термосфере .

Метеорологи используют местоположение некоторых струйных течений как помощь в прогнозировании погоды . Основное коммерческое значение струйных течений заключается в авиаперелетах, поскольку на время полета может сильно повлиять полет по течению или против него. Часто авиакомпании работают над тем, чтобы летать «с» реактивным потоком, чтобы добиться значительной экономии затрат на топливо и времени. Динамические маршруты в Северной Атлантике являются одним из примеров того, как авиакомпании и службы управления воздушным движением работают вместе, чтобы приспособиться к реактивному течению и ветру наверху, что приносит максимальную пользу авиакомпаниям и другим пользователям. Турбулентность при ясном небе , потенциальная угроза безопасности пассажиров самолета, часто возникает вблизи струйного течения, но она не приводит к существенному изменению времени полета.

Открытие

Первые указания на это явление были сделаны американским профессором Элиасом Лумисом в 1800-х годах, когда он предложил мощный воздушный поток в верхних слоях атмосферы, дующий с запада на восток через Соединенные Штаты, в качестве объяснения поведения сильных штормов. После извержения вулкана Кракатау в 1883 году наблюдатели за погодой в течение нескольких лет отслеживали и наносили на карту последствия для неба. Они назвали это явление «экваториальным потоком дыма». В 1920-х годах японский метеоролог Васабуро Оиси обнаружил струйный поток с места недалеко от горы Фудзи . Он отслеживал воздушные шары-пилоты , также известные как пибалы (воздушные шары, используемые для определения ветра на верхнем уровне), когда они поднимались в атмосферу. Работа Оиси в значительной степени осталась незамеченной за пределами Японии, потому что она была опубликована на эсперанто . Американскому летчику Уайли Посту , первому человеку, совершившему одиночный кругосветный полет в 1933 году, часто приписывают открытие струйных течений. Пост изобрел герметичный костюм, который позволял ему летать на высоте более 6 200 метров (20 300 футов). За год до своей смерти Пост предпринял несколько попыток совершить высотный трансконтинентальный перелет и заметил, что временами его путевая скорость значительно превышала воздушную. Немецкому метеорологу Генриху Зайлкопфу приписывают введение специального термина Strahlströmung (буквально « струйное течение») для обозначения этого явления в 1939 году. Многие источники приписывают реальное понимание природы струйных течений регулярным и повторяющимся траекториям полета во время Второй мировой войны . . Летчики постоянно замечали западный попутный ветер со скоростью более 160 км/ч (100 миль в час) во время полетов, например, из США в Великобританию. Точно так же в 1944 году группа американских метеорологов на Гуаме , в которую входил Рейд Брайсон , провела достаточно наблюдений, чтобы предсказать очень сильный западный ветер, который замедлит бомбардировщики времен Второй мировой войны, направляющиеся в Японию .

Описание

Общая конфигурация полярных и субтропических струйных течений
Сечение субтропических и полярных струйных течений по широте

Полярные струйные течения обычно расположены около уровня давления 250 гПа (около 1/4 атмосферы) или от семи до двенадцати километров (от 23 000 до 39 000 футов) над уровнем моря , в то время как более слабые субтропические струйные течения намного выше, от 10 до 16 километров. (33 000 и 52 000 футов). Струйные потоки резко блуждают в стороны и меняют свою высоту. Струйные течения формируются вблизи разрывов в тропопаузе, на переходах между полярными ячейками циркуляции Ферреля и Хэдли , и чья циркуляция с силой Кориолиса, действующей на эти массы, приводит в движение струйные течения. Полярные струи на более низких высотах и ​​часто вторгаются в средние широты, сильно влияют на погоду и авиацию. Полярные струйные течения чаще всего встречаются между 30° и 60° широты (ближе к 60°), а субтропические струйные течения располагаются ближе к 30° широты. Эти две струи сливаются в одних местах и ​​в одно время, а в другое время они хорошо разделены. Говорят, что северный полярный струйный поток «следует за солнцем», поскольку он медленно мигрирует на север, когда это полушарие нагревается, и снова на юг, когда оно остывает.

Ширина струйного течения обычно составляет несколько сотен километров или миль, а его вертикальная толщина часто менее пяти километров (16 000 футов).

Меандры (волны Россби) полярного струйного течения Северного полушария, развивающиеся (а), (б); затем, наконец, отделение «капли» холодного воздуха (с). Оранжевый: более теплые массы воздуха; розовый: струйный поток.

Струйные потоки обычно непрерывны на больших расстояниях, но также распространены разрывы. Путь струи обычно имеет извилистую форму, и сами эти меандры распространяются на восток с более низкими скоростями, чем скорость реального ветра в потоке. Каждый большой меандр или волна в струйном течении известна как волна Россби (планетарная волна). Волны Россби вызваны изменениями эффекта Кориолиса в зависимости от широты. Коротковолновые впадины представляют собой волны меньшего масштаба, наложенные на волны Россби, длиной от 1000 до 4000 километров (600–2500 миль), которые движутся по схеме течения вокруг крупномасштабных или длинноволновых «хребтов» и «впадин». внутри волн Россби. Струйные потоки могут разделяться на два, когда они сталкиваются с понижением верхнего уровня, которое отклоняет часть струйного потока под его основание, в то время как остальная часть струи движется к его северу.

Скорость ветра наибольшая там, где разница температур между воздушными массами самая большая, и часто превышает 92 км / ч (50 узлов; 57 миль в час). Были измерены скорости 400 км / ч (220 узлов; 250 миль / ч).

Струйное течение движется с запада на восток, принося с собой перемены погоды. Метеорологи теперь понимают, что путь струйных течений влияет на циклонические штормовые системы на более низких уровнях атмосферы, и поэтому знание их курса стало важной частью прогнозирования погоды. Например, в 2007 и 2012 годах в Британии произошло сильное наводнение в результате того, что полярная струя оставалась на лето на юге.

Причина

Сильно идеализированное изображение мировой циркуляции. Струи верхнего уровня имеют тенденцию течь в широтном направлении вдоль границ ячеек.

Как правило, ветры наиболее сильны непосредственно под тропопаузой (кроме отдельных мест, во время торнадо , тропических циклонов или других аномальных ситуаций). Если встречаются две воздушные массы с разной температурой или плотностью, результирующая разница давлений, вызванная разницей плотностей (которая в конечном итоге вызывает ветер), является самой высокой в ​​переходной зоне. Ветер не течет прямо из горячей области в холодную, а отклоняется за счет эффекта Кориолиса и течет по границе двух воздушных масс.

Все эти факты являются следствием связи теплового ветра . Баланс сил, действующих на посылку с атмосферным воздухом в вертикальном направлении, состоит в основном между силой тяжести, действующей на массу посылки, и силой плавучести, или разностью давлений между верхней и нижней поверхностями посылки. Любой дисбаланс между этими силами приводит к ускорению посылки в направлении дисбаланса: вверх, если выталкивающая сила превышает вес, и вниз, если вес превышает выталкивающую силу. Баланс в вертикальном направлении называется гидростатическим . За пределами тропиков преобладающие силы действуют в горизонтальном направлении, и основная борьба идет между силой Кориолиса и силой градиента давления. Равновесие между этими двумя силами называется геострофическим . Учитывая как гидростатический, так и геострофический баланс, можно вывести соотношение теплового ветра: вертикальный градиент горизонтального ветра пропорционален горизонтальному градиенту температуры. Если две воздушные массы, одну холодную и плотную к северу, а другую горячую и менее плотную к югу, разделить вертикальной границей и эту границу убрать, то разница в плотностях приведет к тому, что холодная воздушная масса подскользнется под более горячая и менее плотная воздушная масса. Затем эффект Кориолиса заставит массу, движущуюся к полюсу, отклониться на восток, а массу, движущуюся к экватору, отклонить на запад. Общая тенденция в атмосфере заключается в понижении температуры в направлении к полюсу. В результате ветры развивают восточную составляющую, и эта составляющая увеличивается с высотой. Следовательно, сильные струйные течения, движущиеся на восток, отчасти являются простым следствием того факта, что экватор теплее, чем Северный и Южный полюса.

Полярный струйный поток

Соотношение теплового ветра не объясняет, почему ветры организованы в плотные струи, а не распределяются более широко по полушарию. Одним из факторов, способствующих созданию концентрированной полярной струи, является подрез субтропических воздушных масс более плотными полярными воздушными массами на полярном фронте. Это вызывает резкий градиент давления север-юг ( потенциальная завихренность юг-север ) в горизонтальной плоскости, эффект, который наиболее значителен во время двойных обрушений волн Россби . На больших высотах отсутствие трения позволяет воздуху свободно реагировать на крутой градиент давления с низким давлением на большой высоте над полюсом. Это приводит к формированию планетарных циркуляций ветра, которые испытывают сильное отклонение Кориолиса и, таким образом, могут считаться «квазигеострофическими». Струйное течение полярного фронта тесно связано с процессом фронтогенеза в средних широтах, так как ускорение/замедление воздушного потока индуцирует области низкого/высокого давления соответственно, что связано с формированием циклонов и антициклонов вдоль полярного фронта в относительно узком пространстве. область, край.

Субтропическая струя

Второй фактор, способствующий концентрированной струе, больше применим к субтропической струе, которая формируется на полярном пределе тропической ячейки Хэдли , и эта циркуляция в первом порядке симметрична по долготе. Тропический воздух поднимается до тропопаузы и движется к полюсу, прежде чем опуститься; это циркуляция клеток Хэдли. При этом он имеет тенденцию сохранять угловой момент, поскольку трение о землю незначительно. Воздушные массы, которые начинают двигаться к полюсу, отклоняются на восток под действием силы Кориолиса (верно для любого полушария), что для воздуха, движущегося к полюсу, подразумевает усиление западной составляющей ветра (обратите внимание, что отклонение влево в южном полушарии).

Другие планеты

Атмосфера Юпитера имеет несколько струйных течений, вызванных конвекционными ячейками, которые образуют знакомую полосчатую цветовую структуру; на Юпитере эти конвекционные ячейки вызваны внутренним нагревом. Факторы, определяющие количество струйных течений в планетарной атмосфере, являются активной областью исследований динамической метеорологии. В моделях по мере увеличения планетарного радиуса при фиксированных всех остальных параметрах количество струйных течений уменьшается.

Некоторые эффекты

Защита от ураганов

Ураган Флосси над Гавайями в 2007 году. Обратите внимание на большую полосу влаги, образовавшуюся к востоку от острова Гавайи в результате урагана.

Субтропический струйный поток, огибающий основание срединно-океанической верхней впадины, считается одной из причин, по которой большинство Гавайских островов оказались устойчивыми к длинному списку приближавшихся гавайских ураганов . Например, когда ураган Флосси (2007 г.) приблизился и рассеялся непосредственно перед выходом на сушу, Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) сослалось на вертикальный сдвиг ветра, как показано на фотографии.

Использование

На Земле северное полярное струйное течение является наиболее важным для авиации и прогнозирования погоды, так как оно намного сильнее и находится на гораздо меньшей высоте, чем субтропические струйные течения, а также охватывает многие страны Северного полушария , в то время как южное полярное струйное течение поток в основном огибает Антарктиду и иногда южную оконечность Южной Америки . Таким образом, термин струйное течение в этих контекстах обычно подразумевает северное полярное струйное течение.

Авиация

Рейсы между Токио и Лос-Анджелесом с использованием струйного течения в восточном направлении и по маршруту большого круга в западном направлении.

Расположение струйного течения чрезвычайно важно для авиации. Коммерческое использование реактивного течения началось 18 ноября 1952 года, когда Pan Am вылетела из Токио в Гонолулу на высоте 7600 метров (24 900 футов). Это сократило время в пути более чем на треть, с 18 до 11,5 часов. Это не только сокращает время полета, но и обеспечивает экономию топлива для авиационной отрасли. В Северной Америке время, необходимое для полета на восток через континент , может быть уменьшено примерно на 30 минут , если самолет может лететь с реактивным потоком, или увеличено более чем на эту величину, если он должен лететь на запад против него.

С струйными течениями связано явление, известное как турбулентность ясного неба (CAT), вызванное вертикальным и горизонтальным сдвигом ветра, вызванным струйными течениями. CAT наиболее силен на стороне холодного воздуха струи, рядом с осью струи и непосредственно под ней. Турбулентность при ясном небе может привести к падению самолета и, таким образом, создать угрозу безопасности пассажиров, что привело к несчастным случаям со смертельным исходом, например, к гибели одного пассажира на рейсе 826 United Airlines .

Возможное будущее производство электроэнергии

Ученые изучают способы использования энергии ветра в струйном течении. Согласно одной оценке потенциальной энергии ветра в струйном течении, для удовлетворения текущих мировых потребностей в энергии потребуется всего один процент. Сообщается, что на разработку необходимой технологии потребуется 10–20 лет. Есть две основные, но расходящиеся научные статьи о мощности струйного течения. Арчер и Калдейра утверждают, что струйные течения Земли могут генерировать общую мощность 1700 тераватт (ТВт) и что воздействие на климат от использования этого количества будет незначительным. Однако Миллер, Ганс и Клейдон утверждают, что струйные течения могут генерировать общую мощность всего 7,5 ТВт и что воздействие на климат будет катастрофическим.

Немощная воздушная атака

Ближе к концу Второй мировой войны , с конца 1944 до начала 1945 года, японская аэростатная бомба Fu-Go , тип огненного аэростата , была разработана как дешевое оружие, предназначенное для использования реактивного потока над Тихим океаном для достижения цели. западное побережье Канады и США . Они были относительно неэффективны в качестве оружия, но были использованы в одном из немногих нападений на Северную Америку во время Второй мировой войны , в результате чего шесть человек погибли и был нанесен небольшой ущерб. Однако в то время японцы были мировыми лидерами в исследованиях биологического оружия. Институт Ноборито японской императорской армии выращивал сибирскую язву и чуму Yersinia pestis ; кроме того, он произвел достаточно вирусов коровьей оспы , чтобы заразить все Соединенные Штаты. Развертывание этого биологического оружия на огневых шарах планировалось в 1944 году. Император Хирохито не разрешил развертывание биологического оружия на основании доклада офицера штаба президента Умедзу от 25 октября 1944 года. Следовательно, биологическая война с использованием аэростатов Fu-Go не была реализовано.

Изменения из-за климатических циклов

Эффекты ЭНСО

Влияние Эль-Ниньо и Ла-Нинья на Северную Америку

Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНЮК) влияет на среднее расположение струйных течений на верхнем уровне и приводит к циклическим колебаниям осадков и температуры в Северной Америке, а также влияет на развитие тропических циклонов в восточной части Тихого и Атлантического бассейнов. В сочетании с Тихоокеанским десятилетним колебанием ЭНЮК также может повлиять на количество осадков в холодное время года в Европе. Изменения ЭНЮК также меняют положение струйного течения над Южной Америкой, что частично влияет на распределение осадков по континенту.

Эль-Ниньо

Во время явлений Эль-Ниньо в Калифорнии ожидается увеличение количества осадков из-за более южного, зонального пути шторма. Во время периода Ниньо ЭНЮК увеличение количества осадков выпадает вдоль побережья Мексиканского залива и юго-востока из-за более сильного, чем обычно, и более южного полярного струйного течения. Снегопад выше среднего в южных Скалистых горах и горном хребте Сьерра-Невада и значительно ниже нормы в штатах Верхний Средний Запад и Великие озера. В северном ярусе нижних 48 температур осенью и зимой температура выше нормы, в то время как на побережье Мексиканского залива температура зимой ниже нормы. Субтропический струйный поток через глубокие тропики Северного полушария усиливается из-за усиления конвекции в экваториальной части Тихого океана, что снижает тропический циклогенез в атлантических тропиках ниже нормы и увеличивает активность тропических циклонов в восточной части Тихого океана. В Южном полушарии субтропический струйный поток смещается к экватору или северу от своего нормального положения, что отклоняет фронтальные системы и грозовые комплексы от достижения центральных частей континента.

Ла-Нинья

По всей Северной Америке во время Ла-Нинья повышенное количество осадков отводится на северо- запад Тихого океана из-за более северного пути шторма и струйного течения. Траектория шторма смещается достаточно далеко на север, чтобы принести в штаты Среднего Запада более влажные, чем обычно, условия (в виде увеличения количества снегопадов), а также жаркое и сухое лето. Снегопад превышает норму на северо-западе Тихого океана и в западной части Великих озер. Через Северную Атлантику струйный поток сильнее обычного, что направляет более сильные системы с повышенным количеством осадков в сторону Европы.

Пыльная чаша

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что струйный поток был, по крайней мере, частично причиной широко распространенной засухи во время Пыльного котла 1930-х годов на Среднем Западе Соединенных Штатов. Обычно струйный поток течет на восток над Мексиканским заливом и поворачивает на север, поднимая влагу и выливая дождь на Великие равнины . Во время Пыльного котла струйный поток ослаб и изменил курс, двигаясь дальше на юг, чем обычно. Это лишило Великие равнины и другие районы Среднего Запада осадков, что привело к чрезвычайной засухе.

Долгосрочные климатические изменения

Ученые-климатологи выдвинули гипотезу, что струйное течение будет постепенно ослабевать в результате глобального потепления . Такие тенденции, как сокращение арктического морского льда , сокращение снежного покрова, эвапотранспирация и другие погодные аномалии, привели к тому, что Арктика нагревается быстрее, чем другие части земного шара ( полярное усиление ). Это, в свою очередь, уменьшает температурный градиент, который вызывает струйные ветры, что в конечном итоге может привести к тому, что струйное течение станет более слабым и более изменчивым в своем течении. Как следствие, ожидается, что экстремальные зимние погодные условия станут более частыми. При более слабом струйном течении полярный вихрь имеет большую вероятность просочиться за пределы полярной области и принести экстремально холодную погоду в районы средних широт.

С 2007 г., и особенно в 2012 г. и в начале 2013 г., струйный поток находился на аномально низкой широте по всей Великобритании, располагаясь ближе к Ла-Маншу , около 50 ° северной широты, а не на более обычной северной широте Шотландии около 60 ° северной широты. . Однако в период с 1979 по 2001 год среднее положение струйного течения перемещалось на север со скоростью 2,01 км (1,25 мили) в год в Северном полушарии . В Северной Америке такие изменения могут привести к более засушливым условиям в южной части Соединенных Штатов и к более частым и интенсивным тропическим циклонам в тропиках. Аналогичный медленный дрейф к полюсу был обнаружен при изучении струйного течения Южного полушария в тот же период времени.

Другие самолеты верхнего уровня

полярная ночь реактивный самолет

Струйный поток полярной ночи формируется в основном в зимние месяцы, когда ночи намного длиннее, следовательно, полярные ночи в соответствующих полушариях примерно на 60 ° широты. Струя полярной ночи движется на большей высоте (около 24 000 метров (80 000 футов)), чем летом. В эти темные месяцы воздух высоко над полюсами становится намного холоднее, чем воздух над экватором. Эта разница в температуре вызывает экстремальные перепады давления воздуха в стратосфере, которые в сочетании с эффектом Кориолиса создают струи полярной ночи, которые устремляются на восток на высоте около 48 километров (30 миль). Полярный вихрь огибает струя полярной ночи. Более теплый воздух может двигаться только по краю полярного вихря, но не входить в него. Внутри вихря холодный полярный воздух становится все более холодным, и во время полярной ночи не поступает ни более теплый воздух из более низких широт, ни энергия Солнца .

Низкоуровневые струи

На более низких уровнях атмосферы наблюдаются максимумы ветра, которые также называют струями.

Барьерная струя

Барьерная струя на низких уровнях формируется прямо вверх по течению от горных цепей, при этом горы вынуждают струю ориентировать параллельно горам. Горный барьер увеличивает силу ветра на малых высотах на 45 процентов. На Великих равнинах Северной Америки южная низкоуровневая струя помогает питать ночные грозы в теплое время года, обычно в форме мезомасштабных конвективных систем, которые формируются в ночные часы. Аналогичное явление развивается по всей Австралии, когда влага тянется к полюсу от Кораллового моря в направлении пороговых минимумов, которые формируются в основном в юго-западных частях континента .

Береговая струя

Береговые струи на малых высотах связаны с резким контрастом между высокими температурами над сушей и более низкими температурами над морем и играют важную роль в прибрежной погоде, вызывая сильные параллельные прибрежные ветры. Большинство прибрежных струй связаны с океаническими системами высокого давления и термальными минимумами над сушей. Эти струи располагаются в основном вдоль холодных восточных пограничных морских течений, в районах апвеллинга у берегов Калифорнии, Перу-Чили, Бенгелы, Португалии, Канарских островов и Западной Австралии, у берегов Йемена-Омана.

Выход из долины

Струя на выходе из долины - это сильный приподнятый воздушный поток, спускающийся вниз по долине, который выходит над пересечением долины и прилегающей к ней равнины. Эти ветры часто достигают скорости до 20 м / с (72 км / ч; 45 миль в час) на высоте 40–200 м (130–660 футов) над землей. Приземные ветры ниже струи, как правило, значительно слабее, даже если они достаточно сильны, чтобы раскачивать растительность.

Струи на выходе из долины, вероятно, можно найти в районах долин, в которых наблюдаются дневные системы горных ветров, например, в сухих горных хребтах США. Эти факторы больше влияют на глубокие долины, которые резко обрываются на равнине, чем на те, которые постепенно становятся более мелкими по мере увеличения расстояния вниз по долине.

Африка

Африканская восточная струя среднего уровня возникает летом в Северном полушарии между 10 ° и 20 ° северной широты над Западной Африкой, а ночная струя на малых высотах, направленная к полюсу, возникает на Великих равнинах востока и Южной Африки. Считается, что низкоуровневое восточно-африканское струйное течение играет решающую роль в юго-западном муссонном климате Африки и помогает формировать тропические волны , которые в теплое время года перемещаются через тропические районы Атлантического и восточного Тихого океанов. Формирование термического минимума над северной Африкой приводит к низкоуровневому западному струйному течению с июня по октябрь.

Смотрите также

Рекомендации

Внешние ссылки