Струйное течение. Виноваты струйные течения

Одной из версий авиакатастрофы в Ростове-на-Дону, которая произошла 19 марта, называют редкое погодное явление струйное течение воздуха. Что это такое и как оно влияет на полеты самолетов, читайте а рубрике "Вопрос-ответ".

Что такое струйное течение?

Высотное струйное течение – это сильный ветер в виде узкого воздушного потока в верхней тропосфере или нижней стратосфере. Для него характерны большие скорости (обычно на оси более 30 м/с) и градиенты более 5 м/с на 1 км по высоте и более 10 м/с на 100 км по горизонтали. Проще говоря, струйное течение – достаточно узкий стремительный поток воздуха, похожий на струю (отсюда и название — струйный). Длинна этой струи – может быть тысячи километров, ширина — сотни километров, толщина – несколько километров. И внутри нее свирепствует ураган со скоростью ветра от 100 до 900 километров в час. При этом вокруг этой "трубы" — нет никаких изменений в атмосфере.

Что вызывает струйное течение?

По мнению ученых, виной тому неравномерное нагревание Земли, во время вращения вокруг Солнца. Теплые ветры, дующие с экватора, встречаются с холодными ветрами с полюсов, и возникает большая разница в давлении. Именно в таких областях и образуются струйные течения. Эти течения являются разделительной чертой между холодными и теплыми областями. И чем больше разница температур, тем сильнее эти ветры.

Чем опасно струйное течение для самолетов?

Струйное течение обычно возникает высоко над землей — на высоте от 9144 до 18 288 м. Поэтому на земле они не опасны. Но их очень хорошо знают летчики. В начале XX века пилоты сообщали, что иногда сталкиваются с некой воздушной стеной, при попытках влететь в которую самолеты зависали на месте. Позднее ученые дали название этому явлению "струйное течение".

Как пишет Википедия, высотные струйные течения опасны для авиации в связи с сильной турбулентностью.

Опасны эти явления и во время посадки самолета. Так как, у попавшего в струйное течение самолета может значительно ухудшиться динамическая управляемость.

Как современные летчики используют струйное течение?

Попутные струйные потоки воздуха помогают самолетам сэкономить время пути и топливо. Например, североатлантическое струйное течение летчики используют при полете на трассе Нью-Йорк - Лондон. Обратно же им приходится лететь через Исландию и юг Гренландии, чтобы избежать встречной струи. Примерные расчеты: при полете со скоростью 600 км/ч в попутном струйном течении, скорость которого 360 км/ч, путевая скорость самолета увеличивается до 960 км/ч. В этом случае расстояние в 600 км самолет преодолеет за 36 минут вместо часа. Соответственно экономия топлива составит около 50%

Почему струйное течение над Ростовом – редкое явление?

Струйные течения - это сильный воздушный поток с горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и боковыми сдвигами ветра. Обычно струйное течение распространяется на тысячи километров в длину, сотни в ширину и несколько километров в толщину. Вертикальный сдвиг бывает порядка 5-10 м/с на 1 км, боковой - порядка 5-10 м/с на 100 км. Нижний предел скорости вдоль оси струйного течения выбран произвольно и равен 30 м/с. Сердцевина струйного течения, где скорость ветра мало отличается от скорости на оси, имеет ширину всего 50-100 км, а толщину 1-2 км.

В работах многих ученых выводы об особенностях распределения струйного течения делаются на основе анализа карт повторяемости сильных ветров (100 км/час) на изобарической поверхности 300 мб (9-10 км). По мнению этих исследователей такие карты отображают не только повторяемость сильных ветров на поверхности 300 мб (на высоте 9-10 км), но в большей степени и повторяемость струйного течения, т. к. скорости ветра 100 км/час, как правило, характерны только для струйного течения. В то же время забывалось, что главным признаком струйного течения является специфический характер поля ветра, определяемый наличием на некоторой высоте максимума скорости ветра, во все стороны от которого в плоскости вертикального разреза скорость ветра убывает. В связи с этим на вертикальном разрезе струйное течение представляется в виде замкнутых концентрических изотах ().

Очевидно, что сама физическая природа явления исключает необходимость введения ограничений величины максимума скорости ветра на оси струйного течения, так же как физически было бы неоправданно, например, применение каких-либо критериев для значений в центрах циклонов или антициклонов.

Наиболее простая картина распределения струйных течений в тропосфере представлена на. В тропических широтах до высоты примерно 18 км наблюдаются слабые и непостоянные восточные пассаты.

Между поясами низкоширотных и высокоширотных восточных ветров существует система устойчивых западных ветров, которую называют западным переносом. Западные ветры дуют в слое от поверхности земли и до уровня 20 км. В отдельных районах скорость этих ветров резко возрастает, тогда образуется два или три быстро движущихся потока внутри ветровой системы. Эти потоки и есть струйные течения. Самолеты, что летят с запада на восток, имеют преимущество перед теми, что летят с востока на запад, поскольку они могут воспользоваться этими струйными течениями.

Струйные течения связаны с высотными фронтальными зонами (ВФЗ). Скорость воздушного потока на оси струи тем больше, чем больше градиент температуры в свободной атмосфере. В тропосфере струйные течения особенно часто обнаруживаются в субтропических широтах, ось которых летом располагается в широтной зоне 35-45°, зимой в широтной зоне 25-35°. Это наиболее устойчивые и интенсивные струйные течения, чаще всего наблюдающиеся над западной частью Атлантического океана, районами Красного моря и Индии, над Тихим океаном юго-восточнее Японии.

Кроме того, различают арктические и полярнофронтовые струйные течения, наблюдающиеся в средних и высоких широтах, экваториальные, а также стратосферные. Арктические и полярнофронтовые струйные течения (на высотах 6-8 км) связаны с главными атмосферными фронтами - полярным и арктическим. Наибольшая повторяемость и интенсивность этих струйных течений отмечается над восточными берегами Азии и Северной Америки. Над территорией России они чаще всего наблюдаются над Дальним Востоком, югом Западной Сибири, Уралом, а зимой - и над Средней Азией.

Вблизи оси струйного течения наблюдаются большие вертикальные градиенты скорости ветра, достигающие 20-25 м/с на 1 км высоты и 16 м/с на 100 км по горизонтали. В связи с этим сильная турбулентность , которая наблюдается в верхней тропосфере при ясном небе, в большинстве случаев связана со струйными течениями. Со струйными течениями связано образование облачности.

Статистические данные, основанные на донесениях экипажей самолетов, показывают, что турбулентность в струйных течениях, вызывающих болтанку самолетов, наиболее часто встречается на холодной (циклонической) стороне струи и несколько реже на теплой (антициклональной). Это объясняется тем, что на циклонической стороне струи вертикальный и горизонтальный градиенты скорости ветра примерно в 1.5 раза больше, чем на антициклональной.

Струйное течение в атмосфере

(СТ) - сильный узкий поток с почти горизонтальной осью в верхней тропосфере или в стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и горизонтальными сдвигами ветра и одним или более максимумами скорости. Обычно длина СТ составляет тысячи км, ширина - сотни км, толщина - несколько км. Вертикальный сдвиг ветра около 5-10 м/с на 1 км, а горизонтальный Струйное течение в атмосфере5 м/с на 100 км. Нижний предел скорости в СТ условно считается равным 100 км/ч и выбран с учётом того, что ветер, скорость которого превышает 100 км/ч, оказывает заметное влияние на путевую скорость летательных аппаратов, выполняющих полёт в зоне СТ. Центральная часть СТ, где скорости ветра наибольшие, называют сердцевиной, линия максимального ветра внутри сердцевины - осью СТ. Слева от оси, если смотреть по потоку, расположена циклоническая сторона СТ, справа - антициклоническая. Горизонтальные сдвиги на циклонической стороне СТ гораздо больше, чем на антициклонической, вертикальный сдвиг ветра обычно больше над осью СТ, чем под ней. Чем сильнее СТ, тем больше вертикальный сдвиг ветра в нём. Различают тропосферные и стратосферные СТ.
Тропосферные С. т. формируются в переходной зоне между высокими холодными циклонами и высокими тёплыми антициклонами в верхней тропосфере, образующими высотные фронтальные зоны. Высотные фронтальные зоны (ВФЗ) могут объединяться, образуя планетарную (сравнимую по размерам с размерами Земли) фронтальную зону. Оси тропосферных С. т. располагаются вблизи тропопаузы и в северном полушарии находятся на высоте 6-8 км над Арктикой, 8-12 км - в умеренных широтах, 12-16 км - в субтропиках.С. т. высоких и средних широт связаны с ВФЗ и атмосферными фронтами; они меняют своё положение вместе с ними. Субтропическое западное С. т. сравнительно устойчиво и сильно. Наиболее мощное на Земле субтропическое С. т. наблюдается в зимнее время над западной частью Тихого океана, где создаются большие контрасты температуры в тропосфере между тёплым воздухом над поверхностью океана и холодным воздухом над восточной Азией.
На картах представлены средние скорости ветра на изобарической поверхности 300 гПа (соответствует высоте около 9 км) в северном полушарии зимой и летом. Видно, что зимой во внетропических широтах С. т. образуются над севером Атлантического океана и Европы. Субтропические С. т. почти окаймляют земной шар на широте 25-30(р). Они более мощные, чем внетропические С. т. Средние скорости в центре С. т. превышают 150 км/ч, а над Японскими островами - 200 км/ч. Летом в связи с прогревом воздуха во внетропических широтах и уменьшением горизонтального градиента температуры между низкими и высокими широтами С. т. ослабевают. Они чаще образуются над севером Европы. В соответствии с сезонными радиационными условиями субтропические С. т., ослабевая, перемещаются к северу. Над Азией и Северной Америкой они находятся летом на широте 40-45(°). С. т. изображаются и с помощью вертикальных разрезов атмосферы.
Стратосферные С. т. расположены выше тропопаузы. Зимние западные С. т. возникают в зоне больших меридиональных градиентов температуры и давления зимнего стратосферного циклона, расположенных между приполюсной областью и более низкими широтами. Ось этого С. т. находится на высоте 50-60 км на широте около 50(°), скорость ветра меняется от 180 до 360 км/ч. Положение и высота западного стратосферного С. т. может меняться при зимних стратосферных потеплениях, во время которых холодный циклон меняет своё местоположение и интенсивность и замещается теплым антициклоном. В соответствии с радиационными условиями летнее стратосферное С. т. устойчивого восточного направления возникает на обращённой к экватору периферии летнего стратосферного тёплого антициклона. Ось С. т. расположена на высоте 50-60 км, на широте около 45(°); средняя скорость ветра на оси до 180 км/ч. Экваториальное С. т. восточного направления находится летом вблизи экватора (от 0 до 15-20(°) широты) с осью на высоте 20-30 км и максимальными скоростями ветра до 180 км/ч.
При метеорологическом обеспечении полётов летательных аппаратов прогнозируется положение тропосферных С. т., высоты осей С. т. и максимальная скорость ветра. Эти данные включаются в авиационные прогностические карты барической топографии, вручаемые экипажам воздушных судов.

Авиация: Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия .Главный редактор Г.П. Свищев .1994 .

Когда я слышу «страшилки» о глобальном потеплении, я напоминаю очередному пророку близкой гибели человечества о том, что во время одной только летней грозы выделяется энергия 13 атомных бомб вроде той, что была сброшена на Хиросиму. А уж об энергии ураганных ветров и говорить не приходится. Так что жалкие потуги цивилизации несравнимы с могучими силами природы. Ох, правильно говорил один из героев бессмертного романа Я.Гашека: «Что представляет собой капитан Венцель по сравнению с великолепием природы?» Далековато еще человечеству до того, чтобы загадить свою планету до невозможности проживания на ней!

Источником энергии грандиозных процессов, происходящих в атмосфере, является, конечно, Солнце. А причиной возникновения этих процессов – то, что солнечная энергия падает на поверхность Земли неравномерно. Ближе к экватору поверхность суши и поверхность океана прогреваются гораздо сильнее, чем у полюсов. В результате такой неравномерности, в атмосфере возникают воздушные потоки, переносящие тепло от более теплых к менее теплым районам Земли. Это – следствие фундаментального закона, который называется вторым началом термодинамики.

Воздух нагревается в более жарких местах, становится легче и поднимается вверх, на высоту 9-12 километров. Выше теплый воздух подняться не может из-за противодействия силы тяжести. Но и быстро охладиться он не в состоянии – слишком велик запас тепла. Поэтому воздушные потоки отклоняются к полюсам, туда, где прохладнее.

Однако до полюсов они дойти не успевают, где-то в районе 30 градусов северной или южной широты, воздух, наконец, охлаждается, опускается к поверхности Земли и теперь понизу следует в более теплые районы, то есть снова к экватору. Так образуются постоянные ветры, пассаты. Они дуют в юго-западном направлении в северном полушарии и в северо-западном направлении в южном. Смещение ветров на запад – следствие вращения Земли.

От полюсов холодный воздух движется вдоль поверхности земли туда, где теплее, то есть в южные широты. При этом он постепенно нагревается и где-то в районе 60-й широты начинает подниматься вверх, до границы тропосферы, на высоту около 9 километров. На этой высоте теплый воздух возвращается к полярным областям, постепенно отдавая свое тепло. Возле полюса он, охлажденный, спускается к поверхности земли, чтобы снова двигаться в более нагретые области.

Между этими двумя круговыми воздушными потоками возникает еще один, промежуточный. В нем холодный воздух, не успевший нагреться в районе 30 градусов широты, движется, постепенно нагреваясь, вдоль поверхности Земли и, достаточно нагревшись, поднимается вверх. По границе тропосферы он возвращается на юг, где, охладившись, вновь опускается к земной поверхности.

В местах, где эти круговые воздушные потоки соприкасаются, происходит взаимодействия холодных и теплых воздушных фронтов. В результате этого взаимодействия у поверхности Земли проливаются дожди, возникают грозы, а также ураганы, штормы и смерчи.

Что происходит на больших высотах, где тоже сталкиваются холодные и теплые воздушные фронты? Влажность здесь очень маленькая, поэтому ни дождь, ни снег, ни град здесь идти не будут. А вот грандиозные ураганные «воронки» здесь возникают с легкостью. Но направлены они не вертикально, как у поверхности Земли, а горизонтально. Поэтому они работают, как гигантские вентиляторы, создавая тонкие полосы завихряющегося воздуха, которые называются струйными течениями.

Струйные течения представляют собой узкие области высотой около 2 километров. Их ширина составляет от 40 до 160 километров. Этакие воздушные «трубы», по которым несется воздух со скоростью 400 – 500 километров в час. Длина струйного течения может быть самой разной в зависимости от скорости воздуха. Бывает, что одно струйное течение опоясывает земной шар в районе 30-х и 60-х широт. Бывает, что одно длинное струйное течение разбивается на несколько более коротких струйных течений.

Струйные течения в земной атмосфере метеорологи впервые зарегистрировали в 1883 году. В этом году произошло катастрофическое извержение вулкана Кракатау в Индонезии. Тучи дыма и вулканического пепла поднялись на стратосферные высоты – более 12 километров. Часть пепла и пыли была захвачена струйными течениями, что сделало эти течения хорошо видимыми с поверхности Земли.

В 1920 году японский метеоролог Васабуро Оиши запускал метеорологические воздушные шары с вершины горы Фудзи и обнаружил, что по достижении высот около 9 – 10 километров их резко уносит в восточном направлении. Оиши повезло, поскольку одно из струйных течений проходит как раз над Японией. Но его работы были практически неизвестны в других странах. Поэтому струйные течения повторно открыли американские летчики в 1945 году. «Летающие крепости» B-17 и B-29 летали на высотах свыше 10 километров со скоростью около 500 километров в час. На таких высотах они были недоступны для тогдашних истребителей, и американцы использовали эти самолеты для бомбардировки целей на Японских островах. Оказалось, что полет к месту бомбежки занимал гораздо больше времени, чем обратный полет. Более того, некоторые бомбардировщики, попадая в струйный поток, скорость ветра в которых достигала 400 – 500 километров в час, попросту «зависали», не в силах продвинуться вперед!

Современные пассажирские самолеты летают на высотах свыше 10 километров. Иногда они используют струйные течения для того, чтобы ускорить полет в направлении с запада на восток. Однако самолеты летят рядом, стараясь не попадать в само течение. Ведь здесь поток завихряется, в результате чего, самолет начинает сильно «болтать»

Погодные аномалии в России стали предметом для исследований иностранных ученых. Ряд метеорологов и климатологов обратили внимание на то, что в этом году слишком во многих странах наблюдались экстремальные погодные проявления.

Помимо жары в России это самое сильное за последние 80 лет наводнение в Пакистане, необычно сильная жара в июле в Японии (которая унесла жизни более 60 человек), а также июньская жаркая погода в США и Канаде.

По мнению метеорологов, которые регулярно занимаются мониторингом атмосферы в Северном полушарии, эти явления на глобальном уровне представляют собой «звенья одной цепи».

Обусловлены они необычным поведением высотных струйных течений в атмосфере.

Такое течение (по-английски оно называется jet stream) представляет собой мощный поток воздуха на высоте от 7 до 12 километров над поверхностью Земли.

Высотные струйные течения движутся с севера на юг и с запада на восток, при этом они имеют достаточно извилистую форму вследствие воздействия ряда факторов. Главным из таких факторов являются так называемые волны Россби — низкочастотные, преимущественно горизонтальные волнообразные движения, обусловленные вращением и сферичностью Земли. Эти волны представляют собой скорее вихри, которые циркулируют между полушариями планеты и, в частности, играют роль в формировании явления «эль-ниньо» — колебаний температуры поверхностного слоя воды в экваториальной части Тихого океана, которые имеют заметное влияние на климат.

В последние несколько недель метеорологи заметили изменения в высотных струйных течениях в атмосфере, о чем на этой неделе, в частности, сообщил научно-популярный журнал New Scientist . Метеоролог из Университета Рединга (Великобритания) Майк Блэкберн , занимавшийся подобными наблюдениями, рассказал «Газете.Ru», в чем заключается гипотеза, которой придерживаются он и его коллеги, объясняющая, почему в России была такая жара и какую связь эта аномалия имеет с другими экстремальными природными явлениями.

— В Северном полушарии Земли на протяжении всего июля наблюдались систематические изгибы высотного струйного течения, простирающегося от Атлантики над Европой и Азией.

Нынешним летом горячий влажный воздух из Африки избавился от влаги над Восточной Европой и в виде горячего сухого воздуха принес тепло далеко на север. Там изгиб струйного течения «блокировал» антициклон и на долгое время вызвал рекордно высокую температуру, что спровоцировало лесные пожары и смог, способный вызвать серьезные отрицательный последствия для здоровья человека. Чуть дальше на востоке холодный воздух ушел на юг, попал в область муссонов над горными районами на севере Пакистана и в период с 28 по 30 июля усилил там сезонные дожди. Скорее всего, интенсивные дожди над некоторыми районами Китая в начале августа и аномальная жара в Японии в июле также являются следствием изгибов высотных струйных течений. Так же, вероятно, стабильный антициклон над Россией привел к тому, что влажный воздух со Средиземного моря вызвал интенсивные осадки в восточной Германии 6 августа.

— Почему произошли систематические изгибы высотного струйного течения в этом году?
— Мы не знаем ответа на этот вопрос. Такие изменения являются частью естественной изменчивости атмосферы, которые приводят к изменениям погоды в течение недели, месяца или целого времени года. Но струйными течениями можно объяснить, в частности, и наводнения в Великобритании в июне — июле 2007 года, и достаточно влажное лето во всей Западной Европе в 2008 и 2009 годах.

— Могут ли изменения высотного струйного течения быть следствием изменения климата на Земле?
— Отдельные аномальные погодные явления, как жара в России или наводнение в Пакистане, нельзя отнести к глобальному потеплению, но более высокая средняя температура вызывает опасность увеличения аномальных явлений, так как теплый воздух имеет большое количество водяного пара и с увеличением температуры может повлечь и увеличение среднего количества осадков. Чтобы оценить вероятность наводнения в случае экстремального количества осадков, нужно учитывать многие факторы. Так, в Пакистане гидрологи обратили внимание на случаи некорректного использования водных ресурсов, что повлияло на тяжесть затопления. Стоит заметить, что масштабы помощи и восстановления при ЧП в Пакистане, как и во многих развивающихся странах, растут с увеличением количества населения.

— Возможно ли повторение погодной аномалии в России в следующем году?
— У нас, в Университете Рединга, мы не составляем такой прогноз, другие организации делают сезонные прогнозы на основе компьютерных моделей. Многие исследователи проводят долгосрочные прогнозы для конкретных регионов с использованием статистических корреляций погоды и внешних факторов. Но высотные струйные течения являются неотъемлемой частью глобальной циркуляции атмосферы, и изменения течения влияют на погоду в любое время года в любом месте, в том числе и в следующем году в России.

— Будете ли вы с коллегами исследовать нынешнюю погодную аномалию в России?
— До сих пор мы делали только предварительную оценку наблюдавшихся в последнее время явлений, но мы ведем проект по исследованию влияния струйных течений на погоду, и в нашей научной группе вскоре должна быть защищена диссертация на эту тему. Правда, она будет связана с наводнением в Великобритании в 2007 году, а не нынешней жарой в России.

— Можно ли сказать, что современная наука пока не в состоянии учитывать многие факторы, которые влияют на погоду, например, солнечную активность и количество арктических ледников?
— Да. И я считаю, что климатические и метеорологические модели могут и должны включать в себя ряд различных факторов, как, например, солнечная активность или увеличение концентрации парниковых газов. В ряде организаций это уже делается, например, в Европейском центре среднесрочных прогнозов погоды.

Между тем спутники NASA продолжают исследования территории охваченной пожарами России из космоса. Помимо данных о количестве очагов лесных пожаров в разных регионах страны спутники передали на Землю информацию о распространении угарного газа от пожаров — над территорией России и за ее пределами.

Воздушные массы на экваторе нагреваются, и горячий воздух поднимается вверх - там низкое давление. Поднявшийся воздух течет на север или на юг, охлаждается и опускается. Воздушные массы перемещаются от района высокого давления к области низкого давления. Воздух с юга и с севера снова направляется к экватору. В атмосфере формируется система вертикальной циркуляции, опоясывающая Землю, - это так называемые ячейки Гадлея, ячейки Ферреля и Полярные ячейки. На месте стыков ячеек низких и умеренных широт потоки направлены вниз - зона западных поверхностных ветров. В регионе контакта ячеек высоких и средних широт воздух наоборот поднимается - зона восточных поверхностных ветров и струйного течения на больших высотах. Сила Кориолиса влияет на направление движения циркулирующих воздушных масс - они перемещаются не строго вдоль параллелей, а отклоняются. Так в каждой зоне возникают специфические системы ветров. В районах полюсов воздушные массы движутся с востока на запад, отклоняясь от полюсов. В зонах западного ветра под воздействием эффекта Кориолиса и других сил воздушные массы перемещаются в восточном направлении. В зонах пассатов Северного полушария ветер дует с северо-востока, в зонах пассатов Южного полушария - с юго-востока. В верхних слоях атмосферы образуются мощные струйные течения с запада на восток, возникающие из-за разницы давления и температур