Струйное течение

Струйное течение — это относительно узкий, сильный поток воздуха в верхней тропосфере или стратосфере, характеризующийся высокой скоростью ветра (обычно более 30 м/с) и значительными горизонтальными и вертикальными градиентами скорости. Струйные течения являются важнейшим элементом общей циркуляции атмосферы, оказывая определяющее влияние на формирование погоды, траектории движения циклонов и антициклонов, а также на время полётов авиации.

История открытия и изучения

Первые научные наблюдения, указывающие на существование высотных сильных ветров, относятся к концу XIX — началу XX века. В 1883 году британский метеоролог Джон Айткин, изучая распространение вулканического пепла от извержения Кракатау, заметил его быстрое перемещение в верхних слоях атмосферы. В 1920-х годах японский метеоролог Васуки Оиси на основе наблюдений за движением воздушных шаров-зондов описал мощный зимний поток над Японией, который он назвал «струёй» (jet stream).

Однако систематическое изучение струйных течений началось в 1930-1940-х годах с развитием авиации и радиозондирования. В 1939 году немецкий метеоролог Генрих Зейлькопф опубликовал работу, где впервые использовал термин «Strahlströmung» (струйное течение). Во время Второй мировой войны лётчики бомбардировочной авиации, совершавшие полёты на больших высотах, обнаружили, что их скорость относительно земли может резко меняться — до 200-300 км/ч — при попадании в зону сильного ветра. Это явление получило название «jet stream» в англоязычной литературе. После войны, в 1950-х годах, с созданием сети метеорологических станций и запуском метеоспутников, началось глобальное картирование струйных течений.

Физические причины образования

Струйные течения образуются в результате взаимодействия двух основных факторов: разности температур между экваториальными и полярными широтами (меридиональный градиент температуры) и силы Кориолиса, связанной с вращением Земли.

Термический градиент и геострофический ветер

В тропосфере температура воздуха убывает от экватора к полюсам. В соответствии с законом термического ветра, горизонтальный градиент температуры приводит к тому, что с высотой скорость западного ветра увеличивается. На границе между тёплой воздушной массой низких широт и холодной массой высоких широт (в зоне полярного фронта) возникает область с очень большим вертикальным сдвигом ветра. В этой зоне, на высоте 9-12 км, формируется мощный поток, который и является струйным течением.

Роль силы Кориолиса

Вращение Земли отклоняет движущийся воздух вправо в Северном полушарии и влево в Южном. На высотах, где трение о поверхность минимально, ветер становится практически геострофическим — то есть дует вдоль изобар (линий равного давления). Струйное течение, таким образом, представляет собой область, где градиент давления (и, следовательно, скорость ветра) максимален. Оно располагается вблизи тропопаузы — границы между тропосферой и стратосферой.

Классификация и виды

Струйные течения классифицируются по географическому положению, высоте и сезонным характеристикам.

Полярно-фронтовые струйные течения

Это наиболее мощные и изученные струйные течения, связанные с полярным фронтом — зоной раздела между полярным и умеренным воздухом. Они расположены в верхней тропосфере на высотах 8-12 км, имеют ширину 400-600 км и толщину 2-4 км. Скорость ветра в ядре такого течения зимой может достигать 100-150 м/с (360-540 км/ч), летом — 50-80 м/с. В Северном полушарии полярно-фронтовое течение обычно огибает планету по широте 40-60° с.ш., но его траектория сильно извилиста, образуя гребни и ложбины.

Субтропические струйные течения

Формируются на границе между умеренной и тропической воздушными массами, на высоте 10-14 км. Они менее интенсивны, чем полярно-фронтовые, но более стабильны по положению. Субтропическое струйное течение зимой смещается к экватору (до 25-30° с.ш.), летом — к полюсу (до 35-40° с.ш.). Скорость ветра в нём обычно составляет 40-60 м/с.

Стратосферные струйные течения

В стратосфере, на высотах 20-30 км, также существуют струйные течения. Наиболее известное из них — зимнее полярное стратосферное струйное течение, которое образуется вокруг полярной области в результате охлаждения воздуха в полярной ночи. Оно играет ключевую роль в формировании озонового слоя. В летний период в стратосфере Северного полушария возникает слабое восточное струйное течение.

Экваториальные струйные течения

Вблизи экватора, на высоте 15-20 км, существует слабое восточное струйное течение, связанное с разницей температур между тропиками и экватором. Оно менее изучено и нестабильно.

Характеристики и структура

Струйное течение не является однородным потоком. Его структура включает:

• Ядро (ось) — линия максимальных скоростей ветра. Скорость в ядре может превышать 200 м/с.
• Правая и левая периферии — области с меньшей скоростью, где ветер постепенно ослабевает.
• Высотный сдвиг ветра — резкое изменение скорости и направления ветра по вертикали и горизонтали, особенно на границах струи.

Струйные течения часто имеют волнообразную форму. Амплитуда этих волн (гребней и ложбин) может достигать тысяч километров. При большой амплитуде гребни могут отрываться, образуя замкнутые области высокого давления (блокирующие антициклоны), а ложбины — области низкого давления (циклоны).

Роль в атмосферных процессах

Струйные течения являются «двигателем» погоды в умеренных широтах. Они выполняют несколько ключевых функций:

Перенос энергии

Струйные течения переносят огромные массы тёплого воздуха из низких широт в высокие и холодного воздуха в обратном направлении, способствуя выравниванию температурного баланса на планете. Без них контраст температур между экватором и полюсами был бы значительно больше.

Формирование и траектории циклонов

Волны струйного течения (планетарные волны Россби) напрямую связаны с образованием циклонов и антициклонов. В зоне входа в струю (с наветренной стороны) и выхода из неё (с подветренной) возникают области дивергенции (расхождения) и конвергенции (схождения) воздушных потоков, что стимулирует вертикальные движения. Циклоны обычно зарождаются и усиливаются в зонах, где струйное течение изгибается к полюсу (ложбины), а антициклоны — к экватору (гребни). Скорость перемещения циклонов часто совпадает со скоростью струйного течения.

Влияние на авиацию

Для авиации струйные течения имеют двоякое значение. Попутное струйное течение позволяет значительно экономить топливо и сокращать время полёта (например, рейсы из Нью-Йорка в Лондон в среднем короче, чем обратные, благодаря струйному течению). Встречное течение, напротив, увеличивает расход топлива и время в пути. Кроме того, зоны сильного сдвига ветра на границах струйного течения представляют опасность для самолётов, особенно при взлёте и посадке, вызывая турбулентность ясного неба.

Влияние на климат

Изменения положения и интенсивности струйных течений (например, их меандрирование) приводят к климатическим аномалиям. Когда струйное течение сильно извивается, оно может «запирать» погодные системы на одном месте, вызывая длительные засухи или наводнения. В последние десятилетия учёные связывают некоторые экстремальные погодные явления (например, волны тепла в Европе или холодные зимы в Северной Америке) с ослаблением и меандрированием полярного струйного течения, что, возможно, связано с изменениями климата.

Интересные факты

• Самая высокая скорость ветра, зарегистрированная в струйном течении, составила около 512 км/ч (142 м/с) над Японией в декабре 2019 года.
• В 1983 году самолёт British Airways, выполнявший рейс из Лондона в Нью-Йорк, попал в струйное течение, которое разогнало его до скорости 1170 км/ч относительно земли — рекорд для дозвуковых пассажирских самолётов.
• В 2019 году в результате сильного меандрирования струйного течения в Северном полушарии одновременно наблюдались аномальная жара в Европе (до +45°C) и рекордные холода в Северной Америке (до -40°C).

Источники

• Атмосфера: Справочник. — Л.: Гидрометеоиздат, 1991.
• 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.
• Barry R. G., Chorley R. J. Atmosphere, Weather and Climate. — Routledge, 2009.
• Будыко М. И. Глобальная экология. — М.: Мысль, 1977.