出品：科普中國

　　製作：黃宛寧 王帆（中國科學院空天信息創新研究院）

　　監製：中國科學院計算機網絡信息中心

　　如果要跨國出遠門，相信飛機會成爲大家首選的交通工具，但很少有人注意飛機是選擇哪條線路到達目的地的。

　　△圖片來源：https://cheddar.com

　　圖上標的就是飛機穿越大西洋時必經的航線，但看完我們不免困惑，大西洋上空明明這麼廣闊，爲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存在

　　大洋無邊，爲何這麼多飛機不“各飛一邊”？

　　這還要從一位氣象學家的發現說起。

　　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年的這次首航長達16小時，期間糟糕的視線、惡劣的天氣始終干擾着飛行，飛行員也沒有任何導航工具可以使用。

　　快進一個世紀後，飛越大西洋已成爲家常便飯，每天有超過1750架次的航班穿越大西洋到達歐洲。

　　科技的進步顯然是促成這一變化的一個重要因素，但一位氣象學家的發現也起到了不可替代的作用。

　　日本氣象學家Wasaburo Ooishi（荒川秀俊）在天空中發現了一條“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｜圖片來源：http://blog.sciencenet.cn

　　在1923年到1925年間，荒川秀俊通過發射氣象氣球，跟蹤它們的位置和速度，對他所說的高空氣流進行了近1300次觀測，得到了新的發現。

　　不幸的是，由於成果是用世界語（1887年發明創立的一種人造語言，旨在消除人類國際交往語言溝通障礙）發表的，他的發現並沒有被世界所注意，當時大多數人並不知道天空中“河流”（後來被稱爲急流，jet stream）的存在。

　　△從日本到美國的急流路徑｜圖片來源：http://blog.sciencenet.cn

　　在對高空氣流一系列的觀測實驗中，荒川秀俊觀察到氣象氣球在到達約萬米高空處，會進入一個風速極快的區域。

　　氣象氣球在此區域內能夠以高達300公里每小時的速度飛行，只需3天左右時間就能到達美國本土。

　　△氣球炸彈的飛行路線｜圖片來源：http://blog.sciencenet.cn

　　△氣球炸彈｜圖片來源：Wikipedia

　　△高度控制系統｜圖片來源：wemedia.co.in/article/wm/d7939130ffb411eab85d238a8fe7c6b

　　日本在第二次世界大戰期間曾利用這些高空風發射了數千個綁着炸彈的氫氣球，企圖轟炸美國本土。

　　按照計劃，氣球炸彈升空後，必須一直保持在10058米的高度。因爲只有這個高度，才能藉助東去的氣流。

　　荒川秀俊設計了一種由高度計驅動的自動控制系統，用於丟棄壓載物或排放氫氣。

　　當氣球高度低於10058米時，沙袋就會自動脫落，使氣球升高；當氣球高度高於10058米時，氣球氣囊的閥門便會自動排出氫氣，使高度下降。

　　△氣球炸彈在北美的“彈着點”分佈｜圖片來源：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多枚被發現，更多的炸彈可能在北美還沒有被發現。

　　1945年，其中一枚炸彈在俄勒岡州布萊市炸死了6人，包括5個孩子和一位牧師懷孕的妻子。當時其中一名受害者在不知情的情況下撿起了其中一枚爆炸物，引發了這場災難，也就是“布萊爆炸案”。

急流獲得國際認可

　　早在布萊爆炸案發生前的1931年，美軍就推測急流可能存在。

　　當時飛行員威利·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3萬英尺高空飛行了2000多英里，僅用了7個小時。而在較低的海拔地區，這種飛行通常需要12個多小時。

　　後續的布萊爆炸案讓美國更加確認天空中的“河流”是真實存在的，學者將這個現象命名爲急流（jet stream）。

急流是如何形成的呢？

　　現在我們知道了急流的存在，那麼它是如何形成的呢？

　　原因可能很複雜。我們知道大氣中的溫度差異能夠產生氣壓差，加上地球自轉，這些因素會迫使空氣繞着地球運動，空氣流動起來就形成了風。

　　而所謂的急流就是高度在8-12km之間，速度可以達到320km每小時的一條自西向東的強風帶。

　　長度可以有幾千公里，寬度幾百公里。急流沿着冷熱空氣的邊界流動，由於這些冷熱空氣邊界在冬季最爲明顯，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｜圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet

　　地球的自轉是急流產生的重要原因，我們可以看到地球自轉把這個環流分成了上圖所示的三個單元。

　　30°N/S和50°-60°N/S附近的區域是溫度變化最大的區域。兩個地點之間的溫差越大，風力也越大。

　　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，而亞熱帶急流位於30°N左右。急流高度變化爲6.4到12.8公里，最高速度可達442公里/小時。

　　△急流出現在北半球和南半球｜圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet

　　急流的實際出現不僅是地球自轉產生的，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，有時分裂形成漩渦，有時甚至完全消失，過段時間又出現在其他地方。

　　△急流動態變化示意圖｜圖源https://quiwho.com/2020/10/

　　急流也會“跟隨太陽”高度而變化，在春天，隨着太陽高度的每天增加，急流的平均緯度向極地移動。

　　到了夏天，北半球的急流通常出現在美加邊境附近。隨着秋天的臨近，太陽的高度降低，急流的平均緯度向赤道移動。

這條“空中高速”有急流加成！

　　瞭解了急流的成因，你是不是還覺得對它不太熟悉？不過急流在飛行旅程中發揮的作用大家卻並不陌生。

　　如果你曾留意過長途國際航班，你會發現，飛機往返兩地所需的時間一般不同，距離越遠，這種情況就越明顯。以北京和倫敦爲例，北京飛往倫敦的直達航班，從北京起飛後向西方飛行，旅程時間需要10小時55分，而從倫敦飛回北京的時間只需9小時45分。

　　爲什麼同樣的距離往返時間會相差這麼多？而且爲何所有的自東向西的飛行需要的時間都比自西向東的時間要長？

　　有人曾提出疑問：飛行時間不同和地球自轉方向有關係嗎？

　　還真沒啥關係！

　　飛機在天上飛的時候，並沒有擺脫地球引力，仍在地球慣性系內，所以不會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，就能環繞地球一週了。

　　不過，地球自轉雖然沒有直接影響到飛機的飛行速度（科氏力的直接影響較小），但地球自轉帶來的另一個變化，卻成爲了影響飛機飛行速度的主要因素，那就是急流。

　　爲了方便理解這個問題，我們先來了解兩個概念——空速和地速。

　　飛機在空中飛行，具有一個相對於大氣的移動速度，這一速度也被稱之爲空速。對應的，飛機相對於地面的速度就是地速。

　　爲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，此時的地速就相當於空速和風速的疊加。順風時飛機地速會更高，逆風時飛機地速會更低。

　　△藉助超強西風跨大西洋向東飛行的航班｜圖片來源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，位於200hPa氣壓面的平流層中，這裏風向水平，飛機相對不顛簸，成爲大部分民航飛機飛行所在的高度。

　　中緯度地區平流層常年颳着穩定的西風，前面提到，順風飛行地速高，在此區域的飛機順着西風方向從西往東飛，飛得更快，也能夠節省更多時間。

　　△2007年平均的200hPa風場（矢量）和風速（填色）｜圖片來源：ncep.noaa.gov （美國國家環境預測中心）

　　以紐約和倫敦爲例，如果不考慮往返航線的差別，按照相同的距離8175km計算，順風飛行時間約爲6.4小時，而返程則需7.5小時，相差1個多小時。

　　時間越短，燃料使用也越少。

　　按照波音777客機每小時耗油量2700加侖計算，順風飛行飛機可以節約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，這確實不是一筆小數目。

　　不難發現，利用急流來進行長途飛行，省時省錢，又安全，有這樣的優勢加成，大西洋上的“空中高速”能成爲必經之路也就不稀奇啦！

　　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/