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?

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

Аэрологические наблюдения помогли изучить многие особенности ураганных ветров на высотах – струйных течений в атмосфере.

На ежедневных картах барической топографии в средней и верхней тропосфере, как и в нижней стратосфере, обнаруживаются переходные зоны между высокими холодными циклонами и тёплыми антициклонами. Это уже знакомые нам фронтальные зоны. Высотные фронтальные зоны окаймляют земной шар в обоих полушариях.

К числу основных характеристик высотных фронтальных зон относят градиенты температуры, влажности, давления и ветра. Во фронтальных зонах очень часто скорости ветра на высотах превышают 30 м/с (108 км/ч).

Своё название струйные течения получили в 1940-х гг. Они представляют собой сильные воздушные течения (струи) в середине воздушных потоков, имеющих малые скорости. Они быстро перемещаются вместе с высотными фронтальными зонами, усиливаясь или ослабевая.

Струйное течение (по определению Аэрологической комиссии ВМО) – сильный узкий поток с квазигоризонтальной осью, расположенной в верхней тропосфере или стратосфере, и характеризующийся большими горизонтальными и вертикальными изменениями градиента скорости ветра с наличием одного или нескольких максимумов скорости ветра.

Длина струйного течения – порядка тысяч километров, ширина – сотен километров, вертикальная мощность – несколько километров. От оси струйного течения к его периферии скорости ветра быстро уменьшаются. Максимальные скорости ветра на оси могут достигать 50–100 м/с, за нижний предел условно принимается 30м/с. Изменение градиента скорости ветра называется сдвигом ветра . Сдвиг ветра в зоне струйных течений достигает больших величин, как в горизонтальном (10 м/с и более на 100 км), так и в вертикальном направлении (около 5–10 м/с на 1 км).

Струйные течения характерны для всех районов земного шара. По высоте расположения их делят на тропосферные и стратосферные.

Тропосферное струйное течение – перенос воздуха в виде узкого течения с большими скоростями ветра в верхней тропосфере или нижней стратосфере, с осью вблизи тропопаузы; в полярных широтах – также и на более низких уровнях.

Тропосферные струйные течения делятся на:

Струйные течения умеренных широт (полярно-фронтовые),

Субтропические струйные течения,

Арктические струйные течения.

Тропосферные струйные течения характеризуются западным направлением ветров в течение года.

Струйные течения умеренных широт возникают между высокими антициклонами и циклонами (рисунок 67). Они являются наиболее подвижными, а по интенсивности наиболее изменчивы. Высота оси струи располагается чаще всего на уровне 7–10 км зимой и 8–10 км летом. Максимальные скорости на оси изменяются в широких пределах в зависимости от контрастов температуры в высотных фронтальных зонах. Средние мах скорости ветра обычно равны 40–50 м/с, иногда превышают 80–100 м/с.

Рисунок 67 – Струйное течение умеренных широт

Субтропические струйные течения в Северном полушарии формируются на северной периферии высоких субтропических антициклонов. Они менее подвижны. Высота оси течения 12–14 км. Средний максимум скорости ветра зимой превышают 50–60 м/с, летом – 30–40 м/с. Зимой течения смещаются в сторону тропиков и находятся над широтами 25–35°. Летом она (зона течений) смещена к северу над океанами на 50–10°, над материками – на 10–15°. Струйные течения особенно интенсивны у восточных берегов Азии и Северной Америки и относительно слабее выражены над восточными районами Атлантики и Тихого океана.

Стратосферные струйные течения – струйные течения с осью выше тропопаузы. Такие течения наблюдаются на всех широтах. Среди них различают:

ü струйное течение на краю полярной ночи. Западное течение в верхней стратосфере и мезосфере планетарного характера, возникает зимой вблизи полярного круга, в зоне больших меридиональных градиентов температуры между приполюсной областью, где господствует полярная ночь, и более низкими широтами, где наблюдается суточная смена дня и ночи. Ось его расположена на высоте около 60 км.

ü летнее стратосферное струйное течение. Восточное струйное течение планетарного характера в стратосфере, оно возникает на обращённой к экватору периферии летнего стратосферного антициклона, ось его расположена в среднем на широте 45° и высоте около 60 км, средняя скорость ветра на оси около 50 м/с.

ü экваториальное струйное течение. Восточное струйное течение в стратосфере вблизи экватора (не далее, чем под 15–20° широты), его ось расположена на высоте около 20–30 км, максимум скорости ветра 50 м/с. Режим его неустойчив.

Струйные течения обычно изображают на вертикальных разрезах атмосферы. На них наносятся изотахи (линии равных скоростей ветра), изотермы, атмосферные фронты, тропопауза.

Струйные течения играют важную роль в режиме атмсферной циркуляции. Они – главные артерии атмосферы. Знание их особенностей важно для авиации, особенно для безопасности полётов.

Что мы знаем о голубой атмосфере Земли? Давайте совершим небольшое путешествие в ее глубины.

Когда говорят об атмосфере в целом, ее делят на четыре большие области, на четыре «этажа». Первый — самая нижняя часть атмосферы — тропосфера. Верхняя граница этой области в разных местах различна. У экватора она простирается до высоты 15-18 км, а у полюсов — только до 7-9. Здесь находится четыре пятых всей массы воздуха, и именно здесь формируется погода.

Второй этаж атмосферы носит название стратосферы. Интересно, что она лежит не сразу за тропосферой, а отделена от нее промежуточным слоем воздуха (1-3 км толщиной) — тропопаузой, или субстратосферой. Это, как бы, небольшой переход между этажами. Положение этого перехода не остается постоянным. Он, то понижается, то повышается.

С тропопаузой связаны особые струйные течения в атмосфере. С этим загадочным явлением столкнулись, например, во время американской интервенции в Корее. Бойцы Народной армии наблюдали с земли очень странную картину. Некоторые американские бомбардировщики, летевшие на большой высоте, вдруг останавливались в воздухе, и иногда даже начинали медленно пятиться назад! Напуганные необычным явлением, американские летчики думали, что Народная армия Северной Кореи применяет против них какое-то новое, секретное оружие. Оказалось, что самолеты попадали в «воздушные реки»- своеобразные воздушные потоки, текущие с очень большой скоростью.

Изучение этих необычных потоков показало, что они образуются, как правило, у тропопаузы. Воздушные потоки действительно во многом напоминают большие реки. Ширина их составляет 100 и более километров, а глубина — несколько километров. Необыкновенно высока скорость течения «воздушных рек». Она достигает, порой -350-400 км в час. Чтобы представить себе эту скорость, достаточно вспомнить, что при сильнейших тропических ураганах скорость ветра редко превышает 200-250 км в час. Такой ветер вырывает с корнем могучие деревья, разрушает очень прочные постройки, гонит воду рек вспять. А течение «воздушных рек» еще быстрее!

Не удивительно, что самолеты, попадая в эту «реку», не могут лететь против течения. Страшной силы ветер гасит почти всю их скорость. «Воздушные реки» возникают в различных районах и быстро перемешаются. Они довольно извилисты и тянутся на сотни и тысячи километров. Известны и стратосферные струйные течения, возникающие на высоте 25-30 км.

Замечено, что в наших умеренных широтах «воздушных рек» значительно больше, чем над тропиками и у полюсов. Когда самолет летит по течению такой «воздушной реки», он резко увеличивает скорость. Известен случай, когда рейсовый самолет, летевший из США в Англию, неожиданно прибыл к месту назначения на 3 часа раньше расписания. Выяснилось, что он попал в «воздушную реку» и ее стремительные «волны» прибавили ему дополнительно несколько сотен километров скорости.

Стратосферный этаж поднимается до 80-90 км над земной поверхностью. Здесь стоит неизменно ясная погода, но часто дуют сильнейшие ветры. Исследования последних лет показали, что в стратосфере существует своя зима и свое высотное лето. Здесь обнаружены полярные области, умеренные широты и зона экватора.

СТРУЙНЫЕ ТЕЧЕНИЯ, ИХ КЛ АССИФИКАЦИЯ, УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ПОЛ ЕТОВ В НИХ

Струйным течением (СТ ) называется узкая зона сильных вет ров со скорост ью

100 км/ч (30 м/с) и более большой горизонт альной протяженности.

Максимальная скорост ь ветра наблюдает ся в цент ральной части СТ, которая называется осью СТ . Вправо и влево от оси скорость ветра уменьшается. При эт ом горизонт альные сдвиги ветра могут достигать 10 м/с и более на 100 км расстояния, а вертикальные – 5…10 м/с и более на 100 м высоты.

СТ могут наблюдаться как в тропосфере (т ропосферные СТ), так и в ст ратосфере

(стратосферные СТ). При этом тропосферные СТ бывают: внет ропические, субтропические и экваториальные.

В Северном полушарии тропосферны е СТ направлены, как правило, с запада на восток,

но иногда они могут от клоняться к югу или к северу.

В поперечном сечении СТ может быть представлено в виде сильно сплющ енной

“т рубы” (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Схематическое изображение струйного течения

Тропосферны е СТ наблюдают ся на высотах 7…11 км. Ось СТ обычно располагается на

1,5…2,0 км ниже т ропопаузы.

На террит ории СНГ СТ чаще образуются в холодное время года. Максимальная

скорость ветра (до 300 км/ч и более) наблюдается над Дальним Востоком, над остальной т еррит орией она достигает поряд ка 200 км/ч.

Наиболее интенсивными и устойчивыми являются субт ропические СТ. Максимальные скорости (650…750 км/ч и более) наблюд аются над Японией и Тихим океаном.

Для СТ характерно неодинаковое распределение т емперат уры и давления на правой и

левой сторонах (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Распределение температуры и дав ления в струйном течении

На правой стороне от оси находит ся ТВ и наблюдается высокое давление, поэтому э та сторона называется антициклонической или теплой. На левой стороне нах одится ХВ и наблюдается низкое давление, поэтому эта сторона называется циклонической и холодной. Такое распределение температуры и давления в СТ объясняется тем, что в ХВ барическая ступень значительно меньше, чем в ТВ. Поэтому, на высотах низкое давление буд ет наблюдаться в ХВ, а высокое – в ТВ. А так как СТ – эт о ветер, т о в Северном пол уш арии оно направлено таким образом, чтоб ы слева ост авалось низкое давление и, следовательно, ХВ, а справа – высокое давление и ТВ.

Внетропические СТ связаны с главными атмосферными фронтами и высот ными фронт альными зонами (ВФЗ). Процесс образования СТ можно объяснить следующим образом (рис. 10.4). Больш ие контрасты температуры (8°С…10°С и более), наблюдаемые по обе ст ороны фронта, являются причиной возникновения больших горизонтальных градиент ов давления, а значит, и силы горизонтального барического град иента. Под воздействием эт ой силы начинается восходящее движение ТВ по фронтальной поверхности. При эт ом, чем больше конт раст температ уры, тем интенсивнее движение. В верхних слоях тропосферы ТВ встречает мощный задерживающий слой – тропопаузу. Тропопауза сверху, а фронтальная поверхност ь снизу образуют своего рода воздушные барьеры, ограничивающие свободный подъем ТВ. Под напором поднимающихся снизу масс воздуха верхний ТВ, “зажатый” с одной стороны тропопаузой, а с другой – фронтальной поверхностью, приобрет ает большую скорость и проносится вдоль ВФЗ как бы вдоль своеобразной аэ родинамической трубы. Восход ящие д вижения ТВ могут “поднимат ь” тропопаузу над СТ. По этому на левой стороне СТ т ропопауза, как правило, имеет очень крутой наклон.

Ось СТ, в основном, параллельна атмосферным фронтам, с кот орыми оно связано. Если

СТ связано с ТФ, то оно располагает ся в верхней тропосфере вперед и приземной линии теплого фронта на расстоянии 400…500 км. Если же участ ок СТ связан с ХФ, то СТ располагается в верхней тропосфере позади приземной линии ХФ на расстоянии 100…300 км (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Синоптические условия образов ания струйного течения

СТ могут наблюдаться при ясном небе, но иногда они сопровождаются облаками верхнего яруса, которые располагаются преимущ ественно на правой стороне СТ. Сильными ветровыми потоками облака расчленяются на отдельные полосы, которые быстро перемещаются и своим движением указывают направление С Т. Облака обы чно располагаются ниже оси СТ на несколько сотен метров. В облаках возможна болтанка ВС, интенсивность которой можно определить по внешнему виду облаков – чем “неспокойнее” их вид, тем сильнее болт анка.

Наиболее опасным явлением в зоне СТ является возникновение на его периферии очагов т урбулентности. Причиной возникновения этих очагов является сильное торможение СТ на его внешних границах окружающим более спокойным возд ухом. В связи с резким т орможением пот ока образуются сд виги ветр а, приводящие к вихреобразованию. При этом очаги турб улентности черед уются со спокойными участками, их интенсивность и местоположение непрерывно изменяются. Наиболее интенсивными и опасными турбулентные очаги бывают на левой, циклонической стороне СТ, где горизонтальные сдвиги ветра в

1,5…2 раза больш е, чем на правой стороне (рисунки 10.5 и 10.6).

Рис. 10.5. Вихреобразование в струйном течении

Р ис. 10.6. Повторяемость болтанки в различных частях струйного течения

При от сут ствии облаков, ТЯН, вызывающая сильную болтанку, может начаться внезапно д ля экипажа и привест и к т яжелым последст виям. Опасная болт анка в зоне СТ наб людает ся в тех районах, гд е горизонт альные сдвиги вет ра более 6 м/с на 100 км расст ояния, и/или верт икальные – более 3 м/с на 100 м высот ы. Толщина слоя сильной б олтанки, как правило,

Самые благоприятные условия для полетов наблюдаются в цент ральной части СТ и на

его правой стороне. Но при этом необходимо учитыват ь, чт о при полет ах в СТ на высотах, б лизких к потолку, от клонение ВС в ст орону повыш ения температуры пред ставляет опасност ь, так как не исключена возможность его выхода в область значительных положительных от клонений температуры от стандартной атмосферы. В эт их сл учаях ВС может оказаться на высот е выше предельно допустимой, его уст ойчивост ь и управляемость б уд ут нарушаться, оно может непроизвольно терять высоту и “проваливаться”. Если при э том в атмосфере происход ят вертикальные пульсации ветра, ВС может попасть на критические углы атаки и срывные режимы.