Реактивные потоки

Реактивные потоки (также известные как струйные течения, от англ. jet streams) — это узкие, относительно быстрые воздушные течения в верхней тропосфере и нижней стратосфере, характеризующиеся высокой скоростью ветра (обычно более 30 м/с) и значительной протяжённостью (тысячи километров в длину, сотни — в ширину, несколько километров в высоту). Они являются важнейшим элементом общей циркуляции атмосферы, оказывая решающее влияние на формирование погоды, перемещение циклонов и антициклонов, а также на авиационную навигацию.

Физическая природа и механизм образования

Основной причиной возникновения реактивных потоков является разница температур между полярными и тропическими широтами, а также вращение Земли (сила Кориолиса). В тропосфере температура воздуха убывает от экватора к полюсам, создавая горизонтальный градиент давления. Возникающая сила барического градиента стремится переместить воздух из тёплых областей в холодные. Однако под действием силы Кориолиса, которая отклоняет движущийся воздух вправо в Северном полушарии и влево — в Южном, движение не становится прямым. Вместо этого формируется зональный (западно-восточный) перенос, а на границе раздела воздушных масс с разной температурой возникает узкая зона с резким перепадом давления и, как следствие, с высокой скоростью ветра — струйное течение.

Ключевым фактором, определяющим силу и положение реактивных потоков, является меридиональный градиент температуры (разница температур между широтами). Чем он больше, тем сильнее струйное течение. Зимой, когда контраст между холодным полюсом и тёплым экватором максимален, реактивные потоки наиболее интенсивны. Летом, при меньшем градиенте, они ослабевают.

Характеристики и классификация

Реактивные потоки классифицируются по нескольким признакам: высоте расположения, широте, сезону и типу воздушных масс.

По высоте

• Тропосферные струйные течения: Расположены в верхней тропосфере, непосредственно под тропопаузой (на высоте 9–12 км в умеренных широтах и 15–18 км в тропиках). Это наиболее мощные и изученные типы.
• Стратосферные струйные течения: Формируются в нижней стратосфере (на высоте 20–30 км) и связаны с полярной ночью и зимним стратосферным вихрем. Они менее интенсивны, чем тропосферные, но играют роль в переносе озона и других веществ.

По широте

• Полярное струйное течение (полярный фронт): Самое мощное и изменчивое. Формируется на границе между полярным (холодным) и умеренным (тёплым) воздухом, вдоль полярного фронта. Оно опоясывает земной шар вблизи 60° северной и южной широты, но его положение сильно колеблется в зависимости от сезона и синоптической ситуации. Именно это течение чаще всего упоминается в прогнозах погоды.
• Субтропическое струйное течение: Расположено на границе между умеренным и тропическим воздухом, примерно на широте 30° в обоих полушариях. Оно более стабильно, чем полярное, и наблюдается круглый год, но зимой становится сильнее.
• Тропическое струйное течение: Слабое течение, которое иногда выделяют вблизи экватора (на высоте около 15 км), связанное с внутритропической зоной конвергенции.

По типу воздушных масс

• Арктическое (антарктическое) струйное течение: Формируется на границе арктического (антарктического) и полярного воздуха.
• Полярное струйное течение: На границе полярного и умеренного воздуха.
• Субтропическое струйное течение: На границе умеренного и тропического воздуха.

Структура и динамика

Реактивный поток не является однородным. Внутри него выделяются ядра максимальных скоростей (англ. jet streaks), где скорость ветра может достигать 150–200 м/с (540–720 км/ч) и более. Эти ядра имеют форму вытянутых эллипсов и перемещаются вместе с потоком. Вокруг ядер формируются зоны конвергенции (схождения) и дивергенции (расхождения) воздушных потоков, которые играют ключевую роль в развитии циклонов и антициклонов.

Поток часто имеет волнообразную форму, изгибаясь в меридиональном направлении. Эти изгибы называются гребнями (выпуклости к полюсу) и ложбинами (выпуклости к экватору). Амплитуда и длина этих волн (так называемые волны Россби) определяют характер погоды в умеренных широтах. Когда волны имеют большую амплитуду, воздушные массы могут проникать далеко на юг или на север, вызывая аномальные холода или жару.

Влияние на погоду и климат

Реактивные потоки являются «дирижёрами» погоды в умеренных широтах. Они направляют движение циклонов и антициклонов, определяя их траектории и скорость.

• Формирование циклонов: В зоне дивергенции (расхождения) воздуха на входе в ядро струйного течения (в левой передней части в Северном полушарии) создаются условия для подъёма воздуха и образования циклонической циркуляции. На выходе из ядра (в правой задней части) — наоборот, происходит опускание воздуха, способствующее развитию антициклонов.
• Аномалии погоды: Сильные меридиональные изгибы реактивного потока (блокирующие гребни) могут приводить к длительным периодам аномальной погоды. Например, если гребень задерживается над определённым регионом, он блокирует движение циклонов, вызывая засуху или, наоборот, затяжные дожди. Классическим примером является «блокирующий антициклон» над Европейской частью России летом 2010 года, который привёл к рекордной жаре и пожарам.
• Скорость перемещения воздушных масс: Реактивные потоки ускоряют перемещение воздушных масс. Циклоны, движущиеся вдоль струйного течения, могут перемещаться со скоростью до 1000 км/сутки.

Значение для авиации

Реактивные потоки имеют критическое значение для авиационной навигации. Пилоты и диспетчеры учитывают их положение и скорость при планировании маршрутов.

• Попутный ветер: Полёт в зоне попутного струйного течения позволяет значительно сократить время в пути и расход топлива. Например, рейс из Нью-Йорка в Лондон может быть на 1–2 часа короче, чем обратный рейс, благодаря попутному струйному течению.
• Встречный ветер: Полёт против струйного течения, наоборот, увеличивает время и расход топлива. В некоторых случаях авиакомпании могут менять маршрут, чтобы избежать сильного встречного течения.
• Турбулентность: Границы реактивного потока, особенно зоны сдвига ветра (резкого изменения скорости), являются зонами повышенной турбулентности, что может представлять опасность для пассажиров и экипажа. Турбулентность ясного неба (CAT) часто связана именно с этими зонами.

Реактивные потоки и изменение климата

Современные климатические модели указывают на то, что глобальное потепление может оказывать влияние на поведение реактивных потоков. Основные гипотезы включают:

• Ослабление градиента температур: Поскольку Арктика нагревается быстрее, чем остальная часть планеты (арктическое усиление), меридиональный градиент температур может уменьшиться, что потенциально ослабит полярное струйное течение.
• Увеличение меридиональности: Некоторые исследования предполагают, что потепление может привести к более частым и продолжительным меридиональным изгибам реактивного потока, что увеличит вероятность блокирующих ситуаций и, как следствие, экстремальных погодных явлений (засух, наводнений, волн тепла). Однако эта гипотеза остаётся предметом научных дискуссий.
• Смещение к полюсу: Наблюдается тенденция к смещению субтропического струйного течения к полюсам, что может влиять на распределение осадков в субтропических регионах.

История изучения

Первые научные описания сильных ветров в верхней тропосфере появились в начале XX века. В 1920-х годах японский метеоролог Оиси Васабуро проводил наблюдения за ветрами с помощью воздушных змеев. Однако систематическое изучение началось во время Второй мировой войны, когда пилоты бомбардировщиков B-29, совершавшие рейсы над Тихим океаном, столкнулись с неожиданно сильными попутными ветрами, которые значительно ускоряли полёт. После войны, с развитием радиозондов и авиационной метеорологии, была построена глобальная картина струйных течений. Термин «реактивный поток» (jet stream) был введён в 1939 году немецким метеорологом Генрихом Зейделем.

Источники

• Хромов С.П., Петросянц М.А. «Метеорология и климатология». — М.: Издательство МГУ, 2006.
• Лоренц Э.Н. «Природа и теория общей циркуляции атмосферы». — Л.: Гидрометеоиздат, 1970.
• «Атмосфера. Справочник» / Под ред. Ю.С. Седунова. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
• World Meteorological Organization. «International Cloud Atlas». — Geneva, 2017.
• Материалы Национального управления океанических и атмосферных исследований США (NOAA).