大西洋上空的天然高速,为何成为所有飞机的必经之路?
发布时间:2021-03-01
出品:科普中国
制作:黄宛宁、王帆(中国科学院空天信息创新研究院)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  

  图片来源:https://cheddar.com

  如果要跨国出远门,相信飞机会成为大家首选的交通工具,但很少有人注意飞机是选择哪条线路到达目的地的……

  图上标的就是飞机穿越大西洋时必经的航线,但看完我们不免困惑,大西洋上空明明这么广阔,为何所有飞机都要挤同一条“空中走廊”呢?

天空中的高速公路真实存在

  大洋无边,为何这么多飞机不“各飞一边”?这还要从一位气象学家的发现说起。

  100多年前,飞行员约翰·阿尔科克和亚瑟·惠滕·布朗从纽芬兰直飞爱尔兰,完成了第一次跨大西洋飞行。1919年的这次首航长达16小时,期间糟糕的视线、恶劣的天气始终干扰着飞行,飞行员也没有任何导航工具可以使用。快进一个世纪后,飞越大西洋已成为家常便饭,每天有超过1750架次的航班穿越大西洋到达欧洲。科技的进步显然是促成这一变化的一个重要因素,但一位气象学家的发现也起到了不可替代的作用。

  日本气象学家Wasaburo Ooishi(荒川秀俊)在天空中发现了一条“高速公路”,这条路能够使飞机以更快的速度和更大的运量出行。

  

  荒川秀俊博士

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  在1923年到1925年间,荒川秀俊通过发射气象气球,跟踪它们的位置和速度,对他所说的高空气流进行了近1300次观测,得到了新的发现。不幸的是,由于成果是用世界语(1887年发明创立的一种人造语言,旨在消除人类国际交往语言沟通障碍)发表的,他的发现并没有被世界所注意,当时大多数人并不知道天空中“河流”(后来被称为急流,jet stream)的存在。

  

  从日本到美国的急流路径

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  在对高空气流一系列的观测实验中,荒川秀俊观察到气象气球在到达约万米高空处,会进入一个风速极快的区域。气象气球在此区域内能够以高达300公里每小时的速度飞行,只需3天左右时间就能到达美国本土。

  

  气球炸弹的飞行路线

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  气球炸弹 图片来源:Wikipedia

  

  高度控制系统 图片来源:https://www.wemedia.co.in/article/wm/d7939130ffb411eab85d238a8fe7c6b

  日本在第二次世界大战末期间曾利用这些高空风发射了数千个绑着炸弹的氢气球,企图轰炸美国本土。按照计划,气球炸弹升空后,必须一直保持在10058米的高度。因为只有这个高度,才能借助东去的气流。荒川秀俊设计了一种由高度计驱动的自动控制系统,用于丢弃压载物或排放氢气。当气球高度低于10058米时,沙袋就会自动脱落,使气球升高;当气球高度高于10058米时,气球气囊的阀门便会自动排出氢气,使高度下降。

  

  气球炸弹在北美的"弹着点"分布

  图片来源:http://mankatotimes.com

  在大约9000枚炸弹中,预计有十分之一的炸弹到达了北美地区,其中有300多枚被发现,更多的炸弹可能在北美还没有被发现。1945年,其中一枚炸弹在俄勒冈州布莱市炸死了6人,包括5个孩子和一位牧师怀孕的妻子。当时其中一名受害者在不知情的情况下捡起了其中一枚爆炸物,引发了这场灾难,也就是“布莱爆炸案”。

急流获得国际认可

  早在布莱爆炸案发生前的1931年,美军就推测急流可能存在。

  当时飞行员威利·波斯特从加利福尼亚州伯班克飞往俄亥俄州克利夫兰,飞机在3万英尺高空飞行了2000多英里,仅用了7个小时。而在较低的海拔地区,这种飞行通常需要12个多小时。后续的布莱爆炸案让美国更加确认天空中的“河流”是真实存在的,学者将这个现象命名为急流(jet stream

急流是如何形成的呢?

  现在我们知道了急流的存在,那么它是如何形成的呢?原因可能很复杂。我们知道大气中的温度差异能够产生气压差,加上地球自转,这些因素会迫使空气绕着地球运动,空气流动起来就形成了风。

  而所谓的急流就是高度在8-12km之间,速度可以达到320km每小时的一条自西向东的强风带。长度可以有几千公里,宽度几百公里。急流沿着冷热空气的边界流动,由于这些冷热空气边界在冬季最为明显,因此在北半球和南半球的冬季,急流都是最强的。

  

  显示急流和对流层顶高度的北半球横截面

  图片来源:https://www.weather.gov/jetstream/jet

  地球的自转是急流产生的重要原因,我们可以看到地球自转把这个环流分成了上图所示的三个单元。30°N/S50°-60°N/S附近的区域是温度变化最大的区域。两个地点之间的温差越大,风力也越大。因此,30°N/S50°-60°N/S附近的区域(即中纬度区域)也是高层风力最强的区域。

  50°-60°N/S区域是极地急流所在地,而亚热带急流位于30°N左右。急流高度变化为6.412.8公里,最高速度可达442公里/小时。

  

  急流出现在北半球和南半球

  图片来源:https://www.weather.gov/jetstream/jet

  急流的实际出现不仅是地球自转产生的,还是许多变量之间相互作用的结果,例如高低压系统的位置、冷暖空气和季节变化。它们在地球上蜿蜒而行,在海拔/纬度上倾斜和上升,有时分裂形成漩涡,有时甚至完全消失,过段时间又出现在其他地方。

  

  急流动态变化示意图

  图源https://quiwho.com/2020/10/

  急流也会“跟随太阳”高度而变化,在春天,随着太阳高度的每天增加,急流的平均纬度向极地移动。到了夏天,北半球的急流通常出现在美加边境附近。随着秋天的临近,太阳的高度降低,急流的平均纬度向赤道移动。

这条“空中高速”有急流加成!

  了解了急流的成因,你是不是还觉得对它不太熟悉?不过急流在飞行旅程中发挥的作用大家却并不陌生。

  如果你曾留意过长途国际航班,你会发现,飞机往返两地所需的时间一般不同,距离越远,这种情况就越明显。以北京和伦敦为例,北京飞往伦敦的直达航班,从北京起飞后向西方飞行,旅程时间需要10小时55分,而从伦敦飞回北京的时间只需9小时45分。

  为什么同样的距离往返时间会相差这么多?而且为何所有的自东向西的飞行需要的时间都比自西向东的时间要长?有人曾提出疑问:飞行时间不同和地球自转方向有关系吗?

  还真没啥关系!飞机在天上飞时,并没有摆脱地球引力,仍在地球惯性系内,所以不会受到地球自转方向的影响。不然,飞机不用飞,在天空中悬停1天,就能环绕地球一周了。不过,地球自转虽然没有直接影响到飞机的飞行速度(科氏力的直接影响较小),但地球自转带来的另一个变化,却成为了影响飞机飞行速度的主要因素,那就是急流。

  为了方便理解这个问题,我们先来了解两个概念——空速和地速。飞机在空中飞行,具有一个相对于大气的移动速度,这一速度也被称之为空速。对应的,飞机相对于地面的速度就是地速。为了保证飞机在大气层中平稳飞行,飞机需要保持稳定的空速。因此,此时的地速就相当于空速和风速的叠加。因此顺风时飞机地速会更高,逆风时地速更低。

  

  借助超强西风跨大西洋向东飞行的航班

  图片来源:https://spaceweatherarchive.com/2020/02/11/surfing-the-jet-stream-reduces-aviation-radiation/

  大西洋“空中高速”所在的中纬度急流中心,位于200hPa气压面的平流层中,这里风向水平,飞机相对不颠簸,成为大部分民航飞机飞行所在的高度。中纬度地区平流层常年刮着稳定的西风,前面提到,顺风飞行地速高,在此区域的飞机顺着西风方向从西往东飞,飞得更快,也能够节省更多时间。

  

  2007年平均的200hPa风场(矢量)和风速(填色)

  图片来源:https://www.ncep.noaa.gov/ (美国国家环境预测中心)

  以纽约和伦敦为例,如果不考虑往返航线的差别,按照相同的距离8175km计算,顺风飞行时间约为6.4小时,而返程则需7.5小时,相差1个多小时。时间越短,燃料使用也越少。按照波音777客机每小时耗油量2700加仑计算,顺风飞行飞机可以节约2970加仑航油,每加仑按照1.89美元计算,则每趟航班可以节约5613美元,这确实不是一笔小数目。

  不难发现,利用急流来进行长途飞行,省时省钱,又安全,有这样的优势加成,大西洋上的“空中高速”能成为必经之路也就不稀奇啦!

  参考文献:

  [1] Why All Planes Take This Overcrowded Path Across the Atlantic Ocean.[EB/OL].(2021-1-19)[2021-2-23].

  https://cheddar.com/media/cheddar-explains-planes-jet-stream-atlantic-travel

  [2] 发明第一种洲际武器竟是日本,炸弹漂洋过海却被嘲史上最奇葩.[EB/OL](2018-6-10)[2021-2-22].

  http://blog.sciencenet.cn/blog-2966991-1118346.html

  [3] The Jet Stream.[EB/OL][2021-2-22] .

  https://www.weather.gov/jetstream/jet

  [4] https://www.ncep.noaa.gov/

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