如果要跨國出遠門(mén)，相信飛機會(huì )成為大家首選的交通工具，但很少有人注意飛機是選擇哪條線(xiàn)路到達目的地的……

（圖片來(lái)源：https://cheddar.com）

圖上標的就是飛機穿越大西洋時(shí)必經(jīng)的航線(xiàn)，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(wú)邊，為何這么多飛機不“各飛一邊”？這還要從一位氣象學(xué)家的發(fā)現說(shuō)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(ài)爾蘭，完成了第一次跨大西洋飛行。1919年的這次首航長(cháng)達16小時(shí)，期間糟糕的視線(xiàn)、惡劣的天氣始終干擾著(zhù)飛行，飛行員也沒(méi)有任何導航工具可以使用?？爝M(jìn)一個(gè)世紀后，飛越大西洋已成為家常便飯，每天有超過(guò)1750架次的航班穿越大西洋到達歐洲?？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)現了一條“高速公路”，這條路能夠使飛機以更快的速度和更大的運量出行。

荒川秀俊博士（圖片來(lái)源：http://blog.sciencenet.cn）

在1923年到1925年間，荒川秀俊通過(guò)發(fā)射氣象氣球，跟蹤它們的位置和速度，對他所說(shuō)的高空氣流進(jìn)行了近1300次觀(guān)測，得到了新的發(fā)現。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(lèi)國際交往語(yǔ)言溝通障礙）發(fā)表的，他的發(fā)現并沒(méi)有被世界所注意，當時(shí)大多數人并不知道天空中“河流”（后來(lái)被稱(chēng)為急流，jet stream）的存在。

從日本到美國的急流路徑

（圖片來(lái)源：http://blog.sciencenet.cn）

在對高空氣流一系列的觀(guān)測實(shí)驗中，荒川秀俊觀(guān)察到氣象氣球在到達約萬(wàn)米高空處，會(huì )進(jìn)入一個(gè)風(fēng)速極快的區域。氣象氣球在此區域內能夠以高達300公里每小時(shí)的速度飛行，只需3天左右時(shí)間就能到達美國本土。

氣球炸彈的飛行路線(xiàn)

（圖片來(lái)源：http://blog.sciencenet.cn）

氣球炸彈（ 圖片來(lái)源：Wikipedia）

高度控制系統 （圖片來(lái)源：

https://www.wemedia.co.in/article/wm/

d7939130ffb411eab85d238a8fe7c6b）

日本在第二次世界大戰末期間曾利用這些高空風(fēng)發(fā)射了數千個(gè)綁著(zhù)炸彈的氫氣球，企圖轟炸美國本土。按照計劃，氣球炸彈升空后，必須一直保持在10058米的高度。因為只有這個(gè)高度，才能借助東去的氣流?；拇ㄐ憧≡O計了一種由高度計驅動(dòng)的自動(dòng)控制系統，用于丟棄壓載物或排放氫氣。當氣球高度低于10058米時(shí)，沙袋就會(huì )自動(dòng)脫落，使氣球升高；當氣球高度高于10058米時(shí)，氣球氣囊的閥門(mén)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(zhù)點(diǎn)"分布

（圖片來(lái)源：http://mankatotimes.com）

在大約9000枚炸彈中，預計有十分之一的炸彈到達了北美地區，其中有300多枚被發(fā)現，更多的炸彈可能在北美還沒(méi)有被發(fā)現。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)災難，也就是“布萊爆炸案”。

急流獲得國際認可

早在布萊爆炸案發(fā)生前的1931年，美軍就推測急流可能存在。

當時(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，這種飛行通常需要12個(gè)多小時(shí)。后續的布萊爆炸案讓美國更加確認天空中的“河流”是真實(shí)存在的，學(xué)者將這個(gè)現象命名為急流（jet stream）。

急流是如何形成的呢？

現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，這些因素會(huì )迫使空氣繞著(zhù)地球運動(dòng)，空氣流動(dòng)起來(lái)就形成了風(fēng)。

而所謂的急流就是高度在8-12km之間，速度可以達到320km每小時(shí)的一條自西向東的強風(fēng)帶。長(cháng)度可以有幾千公里，寬度幾百公里。急流沿著(zhù)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，急流都是最強的。

顯示急流和對流層頂高度的北半球橫截面

（圖片來(lái)源：https://www.weather.gov/jetstream/jet）

地球的自轉是急流產(chǎn)生的重要原因，我們可以看到地球自轉把這個(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附近的區域是溫度變化最大的區域。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附近的區域（即中緯度區域）也是高層風(fēng)力最強的區域。

50°-60°N/S區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442公里/小時(shí)。

急流出現在北半球和南半球（圖片來(lái)源：https://www.weather.gov/jetstream/jet）

急流的實(shí)際出現不僅是地球自轉產(chǎn)生的，還是許多變量之間相互作用的結果，例如高低壓系統的位置、冷暖空氣和季節變化。它們在地球上蜿蜒而行，在海拔/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(guò)段時(shí)間又出現在其他地方。

急流動(dòng)態(tài)變化示意圖

（圖片來(lái)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(zhù)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在美加邊境附近。隨著(zhù)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(jué)得對它不太熟悉？不過(guò)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(guò)長(cháng)途國際航班，你會(huì )發(fā)現，飛機往返兩地所需的時(shí)間一般不同，距離越遠，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(cháng)？有人曾提出疑問(wèn)：飛行時(shí)間不同和地球自轉方向有關(guān)系嗎？

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

為了方便理解這個(gè)問(wèn)題，我們先來(lái)了解兩個(gè)概念——空速和地速。飛機在空中飛行，具有一個(gè)相對于大氣的移動(dòng)速度，這一速度也被稱(chēng)之為空速。對應的，飛機相對于地面的速度就是地速。為了保證飛機在大氣層中平穩飛行，飛機需要保持穩定的空速。因此，此時(shí)的地速就相當于空速和風(fēng)速的疊加。因此順風(fēng)時(shí)飛機地速會(huì )更高，逆風(fēng)時(shí)地速更低。

借助超強西風(fēng)跨大西洋向東飛行的航班（圖片來(lái)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，飛機相對不顛簸，成為大部分民航飛機飛行所在的高度。中緯度地區平流層常年刮著(zhù)穩定的西風(fēng)，前面提到，順風(fēng)飛行地速高，在此區域的飛機順著(zhù)西風(fēng)方向從西往東飛，飛得更快，也能夠節省更多時(shí)間。

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

(圖片來(lái)源：美國國家環(huán)境預測中心)

以紐約和倫敦為例，如果不考慮往返航線(xiàn)的差別，按照相同的距離8175km計算，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客機每小時(shí)耗油量2700加侖計算，順風(fēng)飛行飛機可以節約5400加侖航油，每加侖按照1.89美元計算，則每趟航班可以節約5613美元，這確實(shí)不是一筆小數目。

不難發(fā)現，利用急流來(lái)進(jìn)行長(cháng)途飛行，省時(shí)省錢(qián)，又安全，有這樣的優(yōu)勢加成，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：

[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(guò)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/

本文由科普中國融合創(chuàng )作出品，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng )新研究院黃宛寧，王帆制作，中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò )信息中心監制，“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會(huì )各方利用信息化手段開(kāi)展科學(xué)傳播的科學(xué)權威品牌。

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