大西洋上空的天然高速，為何成為所有飛機(jī)的必經(jīng)之路

出品：科普中國(guó)

制作：黃宛寧、王帆（中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院）

監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

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如果要跨國(guó)出遠(yuǎn)門，相信飛機(jī)會(huì)成為大家首選的交通工具，但很少有人注意飛機(jī)是選擇哪條線路到達(dá)目的地的……

圖上標(biāo)的就是飛機(jī)穿越大西洋時(shí)必經(jīng)的航線，但看完我們不免困惑，大西洋上空明明這么廣闊，為何所有飛機(jī)都要擠同一條“空中走廊”呢？

天空中的高速公路真實(shí)存在

大洋無邊，為何這么多飛機(jī)不“各飛一邊”？這還要從一位氣象學(xué)家的發(fā)現(xiàn)說起。

100多年前，飛行員約翰·阿爾科克和亞瑟·惠滕·布朗從紐芬蘭直飛愛爾蘭，完成了第一次跨大西洋飛行。1919年的這次首航長(zhǎng)達(dá)16小時(shí)，期間糟糕的視線、惡劣的天氣始終干擾著飛行，飛行員也沒有任何導(dǎo)航工具可以使用。快進(jìn)一個(gè)世紀(jì)后，飛越大西洋已成為家常便飯，每天有超過1750架次的航班穿越大西洋到達(dá)歐洲?？萍嫉倪M(jìn)步顯然是促成這一變化的一個(gè)重要因素，但一位氣象學(xué)家的發(fā)現(xiàn)也起到了不可替代的作用。

日本氣象學(xué)家Wasaburo Ooishi（荒川秀?。┰谔炜罩邪l(fā)現(xiàn)了一條“高速公路”，這條路能夠使飛機(jī)以更快的速度和更大的運(yùn)量出行。

荒川秀俊博士

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在1923年到1925年間，荒川秀俊通過發(fā)射氣象氣球，跟蹤它們的位置和速度，對(duì)他所說的高空氣流進(jìn)行了近1300次觀測(cè)，得到了新的發(fā)現(xiàn)。不幸的是，由于成果是用世界語(yǔ)（1887年發(fā)明創(chuàng)立的一種人造語(yǔ)言，旨在消除人類國(guó)際交往語(yǔ)言溝通障礙）發(fā)表的，他的發(fā)現(xiàn)并沒有被世界所注意，當(dāng)時(shí)大多數(shù)人并不知道天空中“河流”（后來被稱為急流，jet stream）的存在。

從日本到美國(guó)的急流路徑

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在對(duì)高空氣流一系列的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，荒川秀俊觀察到氣象氣球在到達(dá)約萬(wàn)米高空處，會(huì)進(jìn)入一個(gè)風(fēng)速極快的區(qū)域。氣象氣球在此區(qū)域內(nèi)能夠以高達(dá)300公里每小時(shí)的速度飛行，只需3天左右時(shí)間就能到達(dá)美國(guó)本土。

氣球炸彈的飛行路線

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氣球炸彈 圖片來源：Wikipedia

高度控制系統(tǒng) 圖片來源：https://www.wemedia.co.in/article/wm/d7939130ffb411eab85d238a8fe7c6b

日本在第二次世界大戰(zhàn)末期間曾利用這些高空風(fēng)發(fā)射了數(shù)千個(gè)綁著炸彈的氫氣球，企圖轟炸美國(guó)本土。按照計(jì)劃，氣球炸彈升空后，必須一直保持在10058米的高度。因?yàn)橹挥羞@個(gè)高度，才能借助東去的氣流?；拇ㄐ憧≡O(shè)計(jì)了一種由高度計(jì)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，用于丟棄壓載物或排放氫氣。當(dāng)氣球高度低于10058米時(shí)，沙袋就會(huì)自動(dòng)脫落，使氣球升高；當(dāng)氣球高度高于10058米時(shí)，氣球氣囊的閥門便會(huì)自動(dòng)排出氫氣，使高度下降。

氣球炸彈在北美的"彈著點(diǎn)"分布

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在大約9000枚炸彈中，預(yù)計(jì)有十分之一的炸彈到達(dá)了北美地區(qū)，其中有300多枚被發(fā)現(xiàn)，更多的炸彈可能在北美還沒有被發(fā)現(xiàn)。1945年，其中一枚炸彈在俄勒岡州布萊市炸死了6人，包括5個(gè)孩子和一位牧師懷孕的妻子。當(dāng)時(shí)其中一名受害者在不知情的情況下?lián)炱鹆似渲幸幻侗ㄎ?，引發(fā)了這場(chǎng)災(zāi)難，也就是“布萊爆炸案”。

急流獲得國(guó)際認(rèn)可

早在布萊爆炸案發(fā)生前的1931年，美軍就推測(cè)急流可能存在。

當(dāng)時(shí)飛行員威利·波斯特從加利福尼亞州伯班克飛往俄亥俄州克利夫蘭，飛機(jī)在3萬(wàn)英尺高空飛行了2000多英里，僅用了7個(gè)小時(shí)。而在較低的海拔地區(qū)，這種飛行通常需要12個(gè)多小時(shí)。后續(xù)的布萊爆炸案讓美國(guó)更加確認(rèn)天空中的“河流”是真實(shí)存在的，學(xué)者將這個(gè)現(xiàn)象命名為急流（jet stream）。

急流是如何形成的呢？

現(xiàn)在我們知道了急流的存在，那么它是如何形成的呢？原因可能很復(fù)雜。我們知道大氣中的溫度差異能夠產(chǎn)生氣壓差，加上地球自轉(zhuǎn)，這些因素會(huì)迫使空氣繞著地球運(yùn)動(dòng)，空氣流動(dòng)起來就形成了風(fēng)。

而所謂的急流就是高度在8-12km之間，速度可以達(dá)到320km每小時(shí)的一條自西向東的強(qiáng)風(fēng)帶。長(zhǎng)度可以有幾千公里，寬度幾百公里。急流沿著冷熱空氣的邊界流動(dòng)，由于這些冷熱空氣邊界在冬季最為明顯，因此在北半球和南半球的冬季，急流都是最強(qiáng)的。

顯示急流和對(duì)流層頂高度的北半球橫截面

圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet

地球的自轉(zhuǎn)是急流產(chǎn)生的重要原因，我們可以看到地球自轉(zhuǎn)把這個(gè)環(huán)流分成了上圖所示的三個(gè)單元。30°N/S和50°-60°N/S附近的區(qū)域是溫度變化最大的區(qū)域。兩個(gè)地點(diǎn)之間的溫差越大，風(fēng)力也越大。因此，30°N/S和50°-60°N/S附近的區(qū)域（即中緯度區(qū)域）也是高層風(fēng)力最強(qiáng)的區(qū)域。

50°-60°N/S區(qū)域是極地急流所在地，而亞熱帶急流位于30°N左右。急流高度變化為6.4到12.8公里，最高速度可達(dá)442公里/小時(shí)。

急流出現(xiàn)在北半球和南半球

圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet

急流的實(shí)際出現(xiàn)不僅是地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，還是許多變量之間相互作用的結(jié)果，例如高低壓系統(tǒng)的位置、冷暖空氣和季節(jié)變化。它們?cè)诘厍蛏向暄讯校诤０?緯度上傾斜和上升，有時(shí)分裂形成漩渦，有時(shí)甚至完全消失，過段時(shí)間又出現(xiàn)在其他地方。

急流動(dòng)態(tài)變化示意圖

圖源https://quiwho.com/2020/10/

急流也會(huì)“跟隨太陽(yáng)”高度而變化，在春天，隨著太陽(yáng)高度的每天增加，急流的平均緯度向極地移動(dòng)。到了夏天，北半球的急流通常出現(xiàn)在美加邊境附近。隨著秋天的臨近，太陽(yáng)的高度降低，急流的平均緯度向赤道移動(dòng)。

這條“空中高速”有急流加成！

了解了急流的成因，你是不是還覺得對(duì)它不太熟悉？不過急流在飛行旅程中發(fā)揮的作用大家卻并不陌生。

如果你曾留意過長(zhǎng)途國(guó)際航班，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)往返兩地所需的時(shí)間一般不同，距離越遠(yuǎn)，這種情況就越明顯。以北京和倫敦為例，北京飛往倫敦的直達(dá)航班，從北京起飛后向西方飛行，旅程時(shí)間需要10小時(shí)55分，而從倫敦飛回北京的時(shí)間只需9小時(shí)45分。

為什么同樣的距離往返時(shí)間會(huì)相差這么多？而且為何所有的自東向西的飛行需要的時(shí)間都比自西向東的時(shí)間要長(zhǎng)？有人曾提出疑問：飛行時(shí)間不同和地球自轉(zhuǎn)方向有關(guān)系嗎？

還真沒啥關(guān)系！飛機(jī)在天上飛時(shí)，并沒有擺脫地球引力，仍在地球慣性系內(nèi)，所以不會(huì)受到地球自轉(zhuǎn)方向的影響。不然，飛機(jī)不用飛，在天空中懸停1天，就能環(huán)繞地球一周了。不過，地球自轉(zhuǎn)雖然沒有直接影響到飛機(jī)的飛行速度（科氏力的直接影響較?。厍蜃赞D(zhuǎn)帶來的另一個(gè)變化，卻成為了影響飛機(jī)飛行速度的主要因素，那就是急流。

為了方便理解這個(gè)問題，我們先來了解兩個(gè)概念——空速和地速。飛機(jī)在空中飛行，具有一個(gè)相對(duì)于大氣的移動(dòng)速度，這一速度也被稱之為空速。對(duì)應(yīng)的，飛機(jī)相對(duì)于地面的速度就是地速。為了保證飛機(jī)在大氣層中平穩(wěn)飛行，飛機(jī)需要保持穩(wěn)定的空速。因此，此時(shí)的地速就相當(dāng)于空速和風(fēng)速的疊加。因此順風(fēng)時(shí)飛機(jī)地速會(huì)更高，逆風(fēng)時(shí)地速更低。

借助超強(qiáng)西風(fēng)跨大西洋向東飛行的航班

圖片來源：https://spaceweatherarchive.com/2020/02/11/surfing-the-jet-stream-reduces-aviation-radiation/

大西洋“空中高速”所在的中緯度急流中心，位于200hPa氣壓面的平流層中，這里風(fēng)向水平，飛機(jī)相對(duì)不顛簸，成為大部分民航飛機(jī)飛行所在的高度。中緯度地區(qū)平流層常年刮著穩(wěn)定的西風(fēng)，前面提到，順風(fēng)飛行地速高，在此區(qū)域的飛機(jī)順著西風(fēng)方向從西往東飛，飛得更快，也能夠節(jié)省更多時(shí)間。

2007年平均的200hPa風(fēng)場(chǎng)（矢量）和風(fēng)速（填色）

圖片來源：https://www.ncep.noaa.gov/ (美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)測(cè)中心)

以紐約和倫敦為例，如果不考慮往返航線的差別，按照相同的距離8175km計(jì)算，順風(fēng)飛行時(shí)間約為6.4小時(shí)，而返程則需7.5小時(shí)，相差1個(gè)多小時(shí)。時(shí)間越短，燃料使用也越少。按照波音777客機(jī)每小時(shí)耗油量2700加侖計(jì)算，順風(fēng)飛行飛機(jī)可以節(jié)約2970加侖航油，每加侖按照1.89美元計(jì)算，則每趟航班可以節(jié)約5613美元，這確實(shí)不是一筆小數(shù)目。

不難發(fā)現(xiàn)，利用急流來進(jìn)行長(zhǎng)途飛行，省時(shí)省錢，又安全，有這樣的優(yōu)勢(shì)加成，大西洋上的“空中高速”能成為必經(jīng)之路也就不稀奇啦！

參考文獻(xiàn)：

[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] 發(fā)明第一種洲際武器竟是日本，炸彈漂洋過海卻被嘲史上最奇葩.[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/