Жоғары атмосферадағы жылдам ауа ағындары

Кіріспе

Жылдам ағынды атмосфералық ауа ағыны.

Жетістіктер – Жер, Венера, Юпитер, Сатурн, Уран және Нептун атмосферасындағы жылдам, тар, ирек ауа ағындары. Жердегі негізгі жетістіктер тропопауза биіктігіне жақын орналасқан және батыс желдері болып табылады (батыстан шығысқа қарай ағады). Жетістіктер басталып, тоқтауы, екі немесе одан көп бөлікке бөлінуі, бір ағынға бірігуі, немесе түрлі бағыттарда, тіпті қалған жетістіктің бағытына қарама-қарсы ағуы мүмкін.

Шолу

Ең күшті реактивті ағымдар – теңіз деңгейінен жоғары орналасқан полярлық бұрандалар маңындағы полярлық реактивті ағымдар, ал Солтүстік және Оңтүстік жарты шарлардағы жоғары биіктіктегі, біршама әлсіз субтропикалық реактивті ағымдар бар. Солтүстік жарты шардың полярлық реактивті ағымы Солтүстік Америка, Еуропа және Азияның орта және солтүстік ендіктерінде, сондай-ақ аралық мұхиттары арқылы өтеді, ал Оңтүстік жарты шардың полярлық реактивті ағымы көбінесе Антарктиданы жыл бойы айналып өтеді. Реактивті ағымдардың пайда болуына екі фактор әсер етеді: күн сәулесінен атмосфераның қызуы, нәтижесінде ірі масштабты полярлық, Феррел және Хэдли айналымдық жасушалары қалыптасады, сондай-ақ осы жылжымалы массаларға Кориолис күшінің әсері. Кориолис күші планетаның өзінің осі айналуынан туындайды. Басқа планеталарда реактивті ағымдарды күннің жылуы емес, ішкі жылу қозғалтады. Полярлық реактивті ағым полярлық және Феррел айналымдық жасушаларының арасында, ал субтропикалық реактивті ағым Феррел және Хэдли айналымдық жасушаларының шекарасында қалыптасады. Басқа да реактивті ағымдар да бар. Солтүстік жарты шардың жаз айларында тропикалық аймақтарда шығыстан соққан реактивті ағымдар пайда болуы мүмкін, әдетте құрғақ ауа жоғары биіктікте ылғалды ауамен кездескенде. Төменгі деңгейдегі реактивті ағымдар АҚШ-тың орталық бөлігі сияқты әртүрлі аймақтарға тән. Термосферада да реактивті ағымдар бар. Метеорологтар ауа райын болжауда кейбір реактивті ағымдардың орналасуын пайдаланады. Реактивті ағымдардың негізгі коммерциялық маңызы – әуе тасымалында, себебі ұшу уақыты ағыспен немесе қарсы бағытта ұшуға байланысты айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Әуе компаниялары көбінесе отын шығынын және уақытты үнемдеу үшін реактивті ағыспен ұшуға тырысады. Солтүстік Атлантиканың динамикалық бағыттары – әуе компаниялары мен әуе қозғалысын басқарудың реактивті ағым мен жоғарыдағы желдің тиімділігін арттыру үшін қалай бірлесіп жұмыс істейтінінің мысалы. Ұшақтағы жолаушылардың қауіпсіздігіне қауіп төндіретін ашық ауа турбуленттілігі көбінесе реактивті ағымның жанында кездеседі, бірақ ол ұшу уақытын едәуір өзгертпейді.

The strongest jet streams are the polar jets around the polar vortices, at above sea level, and the higher altitude and somewhat weaker subtropical jets at The Northern Hemisphere and the Southern Hemisphere each have a polar jet and a subtropical jet. The northern hemisphere polar jet flows over the middle to northern latitudes of North America, Europe, and Asia and their intervening oceans, while the southern hemisphere polar jet mostly circles Antarctica, both all year round. Jet streams are the product of two factors: the atmospheric heating by solar radiation that produces the large scale polar, Ferrel, and Hadley circulation cells, and the action of the Coriolis force acting on those moving masses. The Coriolis force is caused by the planet's rotation on its axis. On other planets, internal heat rather than solar heating drives their jet streams. The polar jet stream forms near the interface of the polar and Ferrel circulation cells; the subtropical jet forms near the boundary of the Ferrel and Hadley circulation cells. Other jet streams also exist. During the Northern Hemisphere summer, easterly jets can form in tropical regions, typically where dry air encounters more humid air at high altitudes. Low level jets also are typical of various regions such as the central United States. There are also jet streams in the thermosphere. Meteorologists use the location of some of the jet streams as an aid in weather forecasting. The main commercial relevance of the jet streams is in air travel, as flight time can be dramatically affected by either flying with the flow or against. Often, airlines work to fly 'with' the jet stream to obtain significant fuel cost and time savings. Dynamic North Atlantic Tracks are one example of how airlines and air traffic control work together to accommodate the jet stream and winds aloft that results in the maximum benefit for airlines and other users. Clear air turbulence, a potential hazard to aircraft passenger safety, is often found in a jet stream's vicinity, but it does not create a substantial alteration of flight times.

Ашылу

Бұл құбылыстың алғашқы белгілері 1800 жылдары американдық профессор Элиас Лумистен (1811-1889) келді, ол АҚШ-тың батысынан шығысқа қарай соғатын күшті жоғары қабаттағы ауа ағыны гипотезасын ұсынды, бұл ауа ағыны маңызды дауылдардың мінез-құлқына түсіндірме беруге арналған еді. 1883 жылы Кракатау жанартауының жарылуынан кейін ауа райын бақылаушылар бірнеше жыл бойы аспандағы әсерін қадағалап, картаға түсірді. Олар бұл құбылысты "экваторлық түтін ағыны" деп атады. 1920 жылдары жапон метеорологы Васабуро Ойши Фудзи тауының жанындағы пункттен реактивті ағынды анықтады. Ол желдің жылдамдығы мен бағытын өлшеу үшін қолданылатын ұшқыш шарларды ("пибалдарды") қадағалап, олардың ауаға көтерілуін бақылады. Оишидің жұмысы Жапониядан тыс жерлерде көп назарсыз қалды, өйткені ол эсперанто тілінде жарияланды, бірақ хронологиялық тұрғыдан оған реактивті ағымдарды ғылыми тұрғыдан ашқаны үшін құрмет көрсетілуі керек. 1933 жылы әлемді жеке өзі айналып өткен алғашқы адам болған американдық ұшқыш Уайли Постқа (1898-1935) реактивті ағымдарды ашқандығы үшін де белгілі бір құрмет беріледі. Пост жоғарыда ұшуға мүмкіндік беретін қысымды костюм ойлап тапты. Өліміне бір жыл қалғанда Пост құрлықаралық ұшуға бірнеше рет әрекеттенді және кейде оның жер үстіндегі жылдамдығы ауа жылдамдығынан асып түсетінін байқады. Неміс метеорологы Генрих Зейлкопф 1939 жылы бұл құбылысқа арнап "Strahlströmung" (сөзбе-сөз "жеттік ағын") деген арнайы термин енгізді. Көптеген дереккөздер реактивті ағымдардың мәнін түсінуде Екінші дүниежүзілік соғыс кезіндегі ұшу маршруттарының үнемі және қайта-қайта жүріп өтудің маңызды рөлін мойындайды. Ұшқыштар, мысалы, АҚШ-тан Ұлыбританияға ұшу кезінде батыстан соққан күшті желдерді байқады. Сол сияқты, 1944 жылы Гуамдағы американдық метеорологтар тобы, оның ішінде Рид Брайсон, Жапонияға шабуыл жасайтын бомбалаушыларды баяулататын өте күшті батыс желдерін болжауға жеткілікті деректер жинады.

Сипаттама

Полярлық реактивті ағымдар әдетте 250 гПа (шамамен 1/4 атмосфера) қысым деңгейінде немесе теңіз деңгейінен жоғары орналасқан, ал әлсіз субтропикалық реактивті ағымдар одан да жоғары. Реактивті ағымдар кеңістікте күрт ауытқып, биіктігін өзгертеді. Олар тропопаузадағы үзілістердің жанында, полярлық, Феррел және Хэдли айналымдық жасушаларының арасындағы өту зоналарында қалыптасады. Осы айналымдар мен Кориолис күші реактивті ағымдарды қозғалтады. Полярлық реактивті ағымдар төменгі биіктікте орналасып, жиі орта ендіктерге еніп, ауа райы мен авиацияға күшті әсер етеді. Полярлық реактивті ағым көбінесе 30° және 60° (көбінесе 60°-ға жақын) ендіктер арасында кездеседі, ал субтропикалық реактивті ағымдар 30° ендікке жақын орналасқан. Кейбір жерлерде және уақыттарда осы екі ағым бірігіп кетеді, ал кейде олар айқын түрде бөлініп жатады. Солтүстік полярлық ағын "күнге ілеседі" дейді, яғни сол жарты шар жылығанда солтүстікке қарай баяу жылжып, суығанда оңтүстікке қайта оралады. Реактивті ағымның ені әдетте бірнеше жүз шақырымды құрайды, ал тік қалыңдығы одан әлдеқайда аз болады. Реактивті ағымдар көбінесе ұзақ қашықтықтарға үздіксіз созылады, бірақ үзілістер де жиі кездеседі. Ағымның жолы жиі бұрылып өтеді, ал осы бұрылыстар шығысқа қарай, ағын ішіндегі желдің өзінен төмен жылдамдықпен қозғалады. Реактивті ағымдағы әрбір үлкен бұрылыс немесе толқын Россби толқыны (планеталық толқын) деп аталады. Россби толқындары Кориолис күшінің ендікке байланысты өзгеруінен туындайды. Ұзын толқындардың ішіндегі "жоталар" мен "жартастар" арқылы қозғалатын, Россби толқындарына наложенған кішкентай толқындық ойыстар бар. Жоғарғы қабаттағы төмен қысым аймағына кездескенде реактивті ағым екіге бөлінеді, ағымның бір бөлігі оның астынан бұрылып өтеді, ал қалғаны солтүстікке қарай жалғаса береді. Желдің жылдамдығы ауа массалары арасындағы температура айырмашылығы ең үлкен болған жерде жоғарылайды және көбінесе одан да асып кетеді. Метеорологтар қазір реактивті ағымдардың жолы атмосфераның төменгі қабаттарындағы циклоникалық дауылдарға әсер ететінін түсінеді, сондықтан олардың бағытын білу ауа райын болжаудың маңызды бөлігіне айналды. Мысалы, 2007 және 2012 жылдары Ұлыбританияда полярлық реактивті ағымның жазда оңтүстікке қарай жылжуы салдарынан ауыр су тасқыны болды.

Polar jet streams are typically located near the 250 hPa (about 1/4 atmosphere) pressure level, or above sea level, while the weaker subtropical jet streams are much higher, between Jet streams wander laterally dramatically, and change in altitude. The jet streams form near breaks in the tropopause, at the transitions between the polar, Ferrel and Hadley circulation cells, and whose circulation, with the Coriolis force acting on those masses, drives the jet streams. The polar jets, at lower altitude, and often intruding into mid latitudes, strongly affect weather and aviation. The polar jet stream is most commonly found between latitudes 30° and 60° (closer to 60°), while the subtropical jet streams are located close to latitude 30°. These two jets merge at some locations and times, while at other times they are well separated. The northern polar jet stream is said to "follow the sun" as it slowly migrates northward as that hemisphere warms, and southward again as it cools. The width of a jet stream is typically a few hundred kilometres or miles and its vertical thickness often less than
Jet streams are typically continuous over long distances, but discontinuities are also common. The path of the jet typically has a meandering shape, and these meanders themselves propagate eastward, at lower speeds than that of the actual wind within the flow. Each large meander, or wave, within the jet stream is known as a Rossby wave (planetary wave). Rossby waves are caused by changes in the Coriolis effect with latitude. Shortwave troughs, are smaller scale waves superimposed on the Rossby waves, with a scale of long, that move along through the flow pattern around large scale, or longwave, "ridges" and "troughs" within Rossby waves. Jet streams can split into two when they encounter an upper level low, that diverts a portion of the jet stream under its base, while the remainder of the jet moves by to its north. The wind speeds are greatest where temperature differences between air masses are greatest, and often exceed Meteorologists now understand that the path of jet streams affects cyclonic storm systems at lower levels in the atmosphere, and so knowledge of their course has become an important part of weather forecasting. For example, in 2007 and 2012, Britain experienced severe flooding as a result of the polar jet staying south for the summer.

Себеп

Жалпы, жел тропопаузаның астында (тораптар, тропикалық циклондар немесе басқа да аномальдық жағдайларда жергілікті жерлерде) ең күшті болады. Егер әртүрлі температуралар мен тығыздықтағы екі ауа массасы кездессе, тығыздық айырмашылығынан туындаған (соның нәтижесінде жел пайда болады) қысым айырмашылығы өтпелі аймақта ең жоғары болады. Жел қызғаннан суық аймаққа тікелей ағып кетпейді, бірақ Кориолис күшінің әсерінен бұрылады және екі ауа массасының шекарасы бойынша ағылады. Бұл фактілердің барлығы жылулық жел қатынасының салдары болып табылады. Атмосфералық ауаның тік бөлігіне вертикаль бағытта әсер ететін күштердің тепе-теңдігі негізінен бөліктің массасына әсер ететін гравитациялық күш пен жүзу күші немесе бөліктің жоғарғы және төменгі беттері арасындағы қысым айырмашылығы арасында болады. Бұл күштердің кез келген тепе-теңдігінен парцелдің тепе-теңдіксіз бағытта жылдамдауына әкеледі: егер жүзу күші салмақтан асса, жоғары, ал егер салмақ жүзу күшінен асса, төмен. Тік бағыттағы тепе-теңдік гидростатикалық деп аталады. Тропиктен тыс жерлерде басым күштер көлденең бағытта әрекет етеді, ал негізгі күрес Кориолис күші мен қысым градиенті күшінің арасында болады. Бұл екі күштің арасындағы тепе-теңдік геострофиялық деп аталады. Гидростатикалық және геострофиялық тепе-теңдікті ескере отырып, жылулық жел қатынасын алуға болады: көлденең желдің тік градиенті көлденең температура градиентіне пропорционал. Егер солтүстік жарты шардағы екі ауа массасы, солтүстікке қарай суық және тығыз, ал оңтүстікке қарай ыстық және тығыздығы төмен, тік шекарамен бөлінетін болса және бұл шекараны алып тастау керек болса, тығыздықтағы айырмашылық суық ауа массасының ыстық және тығыздығы төмен ауа массасының астына түсуіне әкеледі. Кориолис эффектісі сол кезде полюске қарай қозғалатын массаның шығысқа қарай бұрылуына, ал экваторға қарай қозғалатын массаның батысқа қарай бұрылуына әкеледі. Атмосферадағы жалпы үрдіс температураның полюстерге қарай төмендеуі. Нәтижесінде жел шығысқа қарай бағыт алады және бұл бағыт биіктікпен бірге өседі. Сондықтан, шығысқа қарай қозғалатын күшті реактивті ағымдар, жартылай экватордың солтүстік және оңтүстік полюстерден жылырақ болуының бір бөлігі болып табылады. Биіктікте үйкеліс болмауы ауаның полюс үстіндегі биіктікте төмен қысыммен қысым градиентіне еркін жауап беруге мүмкіндік береді. Бұл қатты Кориолис бұрылысын бастан кешіретін және осылайша "квазигеострофиялық" деп саналатын планеталық жел айналымын қалыптастырады. Полярлық фронт реактивті ағыны орта ендіктердегі фронтогенез процесімен тығыз байланысты, өйткені ауа ағынының жылдамдауы / баяулауы тиісінше төмен / жоғары қысым аймақтарын тудырады, олар салыстырмалы түрде тар аймақта полярлық фронттағы циклон мен антициклонның пайда болуына байланысты. (оңтүстік жарты шарда бұрылыс сол жаққа қарай болатынын ескеріңіз).

In general, winds are strongest immediately under the tropopause (except locally, during tornadoes, tropical cyclones or other anomalous situations). If two air masses of different temperatures or densities meet, the resulting pressure difference caused by the density difference (which ultimately causes wind) is highest within the transition zone. The wind does not flow directly from the hot to the cold area, but is deflected by the Coriolis effect and flows along the boundary of the two air masses. All these facts are consequences of the thermal wind relation. The balance of forces acting on an atmospheric air parcel in the vertical direction is primarily between the gravitational force acting on the mass of the parcel and the buoyancy force, or the difference in pressure between the top and bottom surfaces of the parcel. Any imbalance between these forces results in the acceleration of the parcel in the imbalance direction: upward if the buoyant force exceeds the weight, and downward if the weight exceeds the buoyancy force. The balance in the vertical direction is referred to as hydrostatic. Beyond the tropics, the dominant forces act in the horizontal direction, and the primary struggle is between the Coriolis force and the pressure gradient force. Balance between these two forces is referred to as geostrophic. Given both hydrostatic and geostrophic balance, one can derive the thermal wind relation: the vertical gradient of the horizontal wind is proportional to the horizontal temperature gradient. If two air masses in the northern hemisphere, one cold and dense to the north and the other hot and less dense to the south, are separated by a vertical boundary and that boundary should be removed, the difference in densities will result in the cold air mass slipping under the hotter and less dense air mass. The Coriolis effect will then cause poleward moving mass to deviate to the East, while equatorward moving mass will deviate toward the west. The general trend in the atmosphere is for temperatures to decrease in the poleward direction. As a result, winds develop an eastward component and that component grows with altitude. Therefore, the strong eastward moving jet streams are in part a simple consequence of the fact that the Equator is warmer than the north and south poles. At high altitudes, lack of friction allows air to respond freely to the steep pressure gradient with low pressure at high altitude over the pole. This results in the formation of planetary wind circulations that experience a strong Coriolis deflection and thus can be considered 'quasi geostrophic'. The polar front jet stream is closely linked to the frontogenesis process in midlatitudes, as the acceleration/deceleration of the air flow induces areas of low/high pressure respectively, which link to the formation of cyclones and anticyclones along the polar front in a relatively narrow region. (note that deflection is leftward in the southern hemisphere).

Басқа планеталар

Юпитер атмосферасында танымал жолақты түстер құрылымын қалыптастыратын конвекциялық жасушалардың нәтижесінде бірнеше реактивті ағындар пайда болады; Юпитерде бұл конвекциялық жасушалар ішкі жылумен қозғалады. Планета атмосферасындағы реактивті ағымдар санын анықтайтын факторлар динамикалық метеорологиядағы белсенді зерттеу нысаны болып табылады. Модельдерде, қалған барлық параметрлерді өзгеріссіз ұстап, планета радиусын арттырғанда, реактивті ағымдардың саны кемиді.

Дауылдан қорғау

Орта мұхиттың жоғарғы қабатын айналып өтетін субтропикалық реактивті ағын, Гавай аралдарының көпшілігіне жақындаған Гавай дауылдарының көптеген тізіміне қарсы тұруының себептерінің бірі деп саналады. Мысалы, Флосси дауылы (2007) құрлыққа жеткенге аздай қалғанда ыдырап, АҚШ Ұлттық мұхиттық және атмосфералық басқармасы (NOAA) фотода көрсетілгендей, тік желдің қиылысын атап өтті. Бұл ұшу уақытын ғана емес, сонымен қатар авиакомпаниялар үшін отынды үнемдеуге мүмкіндік береді. Солтүстік Америкада, егер ұшақ реактивті ағынмен бірге ұшса, континенттің шығысына ұшуға кеткен уақыт шамамен 30 минутқа дейін қысқаруы мүмкін, ал батысқа қарсы ұшса, одан да көп уақытқа созылуы мүмкін. Реактивті ағындармен байланысты құбылыс – бұл ашық ауа турбуленттігі (CAT), ол реактивті ағындардың тік және көлденең жел қиылысынан туындайды. CAT реактивті ағынның суық ауа жағында, оның осіне жақын және астында ең күшті болады. Ашық ауа турбуленттігі ұшақтың күйреуіне әкелуі мүмкін, сондықтан жолаушылар қауіпсіздігіне қауіп төндіреді, бұл өлімге әкелетін апаттарға себеп болды, мысалы, United Airlines рейсі 826-дағы бір жолаушының қазасы. 2024 жылдың ақпан айының соңында реактивті ағындағы ерекше жел жылдамдығы коммерциялық ұшақтарды олардың ұшу жолында сағатына 800 мильден астам жылдамдыққа жеткізді, бұл коммерциялық авиалайнер үшін естілмеген жағдай.

Болашақтағы электр энергиясын өндіру мүмкіндігі

Ғалымдар жел энергиясын ұшқын ағысынан пайдалану жолдарын зерттеп жатыр. Бір есептеу бойынша, ұшқын ағынындағы жел энергиясының бір пайызы ғана бүкіл әлемнің қазіргі энергия қажеттілігін өтеуге жетеді. 2000-жылдардың соңында қажетті технологияны дамытуға 10–20 жыл уақыт кетеді деп болжанды. Ұшқын ағынының қуаты туралы екі маңызды, бірақ өзгеше ғылыми мақала бар. Арчер мен Кальдейра Жердің ұшқын ағындары 1700 тераватт (ТВ) жалпы қуатты өндіре алатынын және осы көлемді пайдаланудың климатқа тигізер әсерінің шамалы болатынын мәлімдейді. Дегенмен, Миллер, Ганс және Клейдон ұшқын ағындарының жалпы қуаты 7,5 ТВ ғана болатынын және климатқа тигізер әсерінің қатаң болатынын айтады.

Қозғалтқышы жоқ әуе шабуылы

Екінші дүниежүзілік соғыстың соңына қарай, 1944 жылдың аяғынан 1945 жылдың басына дейін, жапондық Фу Гоу шар бомбасы, отты шар түрінде, Тынық мұхиты арқылы қалыптасқан реактивті ағынды пайдаланып, Канада мен АҚШ-тың батыс жағалауына жеткізілуге арналған, төмен құнмен жасалған қару ретінде әзірленді. Қару ретінде тиімділігі төмен болғандықтан, олар Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде Солтүстік Америкаға жасалған сирек шабуылдардың бірінде қолданылып, алты адамның өміне қиындық туғызды және аз ғана зиян келтірді. Американдық ғалымдар жапондықтар биологиялық шабуылға дайындалуы мүмкін деп болжады.

ENSO әсері

Эль-Ниньоның оңтүстік тербелісі (ENSO) жоғарғы қабаттағы жел ағындарының орташа орналасуына әсер етеді және Солтүстік Америкада жауын-шашын мен температураның циклдық өзгерулеріне себеп болады, сондай-ақ шығыс Тынық мұхиты мен Атлантика бассейндеріндегі тропикалық дауылдардың қалыптасуына да ықпал етеді. Тынық мұхитының онжылдық тербелісімен байланысты ENSO Еуропадағы қысқы жауын-шашынға да әсер тигізеді. ENSO-дағы өзгерістер Оңтүстік Америкадағы жел ағындарының орналасуын өзгертіп, континенттегі жауын-шашын таралуына жартылай әсер етеді.

Эль-Ниньо

Эль-Ниньо кезінде Калифорнияда оңтүстікке қарай бағытталған, аймақтық дауыл жолының өзгеруіне байланысты жауын-шашынның артуы күтіледі. ENSO-ның Ниньо фазасында, Полярлық реактивті ағынның қалыптыдан күшті және оңтүстікке қарай жылжуы салдарынан Мексика шығанағы мен Оңтүстік-Шығыс аймақтарында жауын-шашын мөлшері артады. Оңтүстік Роки және Сьерра-Невада тауларында қар жауу орташа көрсеткіштен жоғары, ал Жоғарғы Орта Батыс және Ұлы көлдер аймағындағы штаттарда қалыптыдан төмен болады. Төменгі 48 штаттың солтүстік бөлігінде күз және қыс айларында температура қалыптыдан жоғары болады, ал Мексика шығанағының жағалауында қыс мезгілінде суық болады. Солтүстік жарты шардағы тропиктік аймақтағы субтропикалық реактивті ағын, экваторлық Тынық мұхитындағы конвекцияның күшеюіне байланысты күшейеді, бұл Атлантика тропиктеріндегі тропикалық дауылдардың пайда болуын қалыптыдан азайтады, ал Шығыс Тынық мұхитында тропикалық дауылдардың белсенділігін арттырады. Оңтүстік жарты шарда субтропикалық реактивті ағын экваторға немесе солтүстікке қарай қалыпты орнынан жылжуына байланысты, фронталдық жүйелер мен дауылдық ошақтар континенттің орталық бөліктеріне жете алмайды. Дауыл жолы солтүстікке қарай жылжуы нәтижесінде Орта Батыс штаттарында қалыптыдан ылғалды жағдайлар (қар жауу түрінде) қалыптасады, сондай-ақ ыстық және құрғақ жаз болады. Тынық мұхитының солтүстік-батысы мен Ұлы көлдердің батысында қар жауу қалыптыдан көп болады.

Шаң ыдысы

Дәлелдер реактивті ағымның 1930 жылдардағы АҚШ-тың орталық бөлігіндегі шаңды дауыл кезеңіндегі кең ауқымды құрғақшылық жағдайларына кем дегенде жартылай себепкер болғанын көрсетеді. Әдетте, реактивті ағым Мексика шығанағының үстінен шығысқа қарай ағып, содан кейін солтүстікке бұрылып, ылғалды көтеріп, Ұлы жазықтарға жаңбыр жаудырады. Шаңды дауыл кезеңінде реактивті ағым әлсіреп, қалыпты бағытынан ауытқып, әдеттегіден оңтүстікке қарай жылжыды. Осының салдарынан Ұлы жазықтар мен Орталық аймақтың басқа да жерлері жаңбырдан қырыққандықтан, ерекше құрғақшылық жағдайлары туындады.

Ұзақ мерзімді климаттық өзгерістер

2000 жылдардың басынан бері климаттық модельдер жаһандық жылыну ұшқын ағымдарын біртіндеп полюстерге қарай ықпалдайтынын тұрақты түрде анықтап келеді. 2008 жылы бұл 1979 жылдан 2001 жылға дейін солтүстік реактивті ағынның жыл сайынғы орташа жылдамдықпен солтүстікке қарай жылғанын дәлелдеген бақылау деректерімен расталды, ал Оңтүстік жарты шардағы реактивті ағын да осыған ұқсас үрдіс көрсетті. Климат ғалымдары жаһандық жылынудың салдарынан ұшқын ағымының да біртіндеп әлсіреуі мүмкін екенін болжайды. Арктикалық мұздың қысқаруы, қар жамылғысының азаюы, булану үрдістері және басқа да ауа райы аномалиялары Арктиканың жер шарының басқа бөліктеріне қарағанда жылдамдауға себеп болып, оны Арктикалық күшею деп атайды. 2021-2022 жылдары 1979 жылдан бері Солтүстік Мұзды мұхиты аймағындағы жылынудың жаһандық орташа көрсеткіштен шамамен төрт есе жылдам болғаны анықталды, ал Баренц теңізі аймағындағы кейбір жерлерде жылыну жаһандық орташадан жеті есе жоғары болды. Арктика бүгінде жер бетіндегі ең суық жерлердің бірі болып қала берсе де, оның және планетаның жылы бөліктері арасындағы температура градиенті осы күшеюдің нәтижесінде жаһандық жылынудың әр онжылдығымен азая береді. Егер бұл градиент ұшқын ағымына күшті әсер етсе, онда ол әлсіреп, траекториясы өзгермелі болуы мүмкін, бұл полярлық вихрьтен суық ауаның орташа ендіктерге таралуына және Россби толқындарының баяулауына әкеліп, ұзаққа созылатын және күшті ауа райына себеп болуы мүмкін. Аталған гипотеза алғаш рет 2012 жылы Стивен Дж. Вавруспен бірлесіп жазылған мақаласында Дженифер Фрэнсиспен ұсынылды. Кейбір палеоклиматтық реконструкциялар полярлық вихрьтің 1997 жылы жылыну кезеңінде өзгермелі болып, ауа райының тұрақсыздығына себеп болғанын көрсеткенмен, бұл климаттық модельдеу нәтижелерімен қайшы болды. PMIP2 симуляциялары 2010 жылы Арктика осцилляциясының соңғы мұз дәуірінде әлдеқайда әлсіз және теріс болғанын анықтады және жылы кезеңдерде оң фазалы АО күштірек болады, демек полярлық вихрьтің ауасының таралуы азаяды деп болжады. Алайда, 2012 жылы "Атмосфералық ғылымдар журналында" жарияланған шолуда "ХХІ ғасырда вихрьтің орташа күйінде маңызды өзгерістер болды, нәтижесінде вихрь әлсіреп, бұзылды", - делінген, бұл модельдеу нәтижелеріне қайшы келгенмен, Фрэнсис-Ваврус гипотезасына сәйкес келді. Сонымен қатар, 2013 жылғы зерттеуде сол кездегі CMIP5 қысқы блоктау тенденцияларын нашар бағалағаны айтылды, ал 2012 жылғы басқа зерттеулер Арктика мұзының қысқаруы мен орташа ендіктегі қыстарда қардың көп жаууы арасындағы байланысты ұсынды. 2013 жылы Фрэнсистің зерттеулері Арктика мұзының қысқаруын солтүстік орта ендіктердегі жазғы ауа райымен байланыстырды, ал сол жылғы басқа зерттеулер Арктика мұзының тенденциясы мен Еуропаның жазғы жауын-шашынының күшті болуы арасындағы ықтимал байланыстарды анықтады. Сол кезде Арктика күшеюі мен ұшқын ағымының үлгілері арасындағы байланыс "Сэнди" дауылының қалыптасуына және 2014 жылдың басында Солтүстік Америкадағы суық толқынға әсер еткен деген болжам да айтылды. 2015 жылы Фрэнсистің келесі зерттеуі соңғы 20 жылда күшейтілген ұшқын ағымының үлгілері жиірек кездесіп отыр деген қорытындыға келді. Сондықтан, жылуды ұстап тұратын эмиссиялардың артуы ұзаққа созылатын ауа райының салдарынан болатын экстремалды құбылыстардың пайда болуына ықпал етеді. 2017 және 2018 жылдары жарияланған зерттеулер солтүстік жарты шардағы реактивті ағымдағы Россби толқындарының тоқтап қалу үлгілерін 2018 жылғы Еуропалық жылу толқыны, 2003 жылғы Еуропалық жылу толқыны, 2010 жылғы Ресей жылу толқыны немесе 2010 жылғы Пәкістан су тасқыны сияқты басқа да стационарлық экстремалды ауа райы оқиғаларының себебі деп анықтады және бұл үлгілердің барлығы Арктика күшеюімен байланысты екенін көрсетті. Франсис пен Ваврус сол жылы жасаған қосымша жұмыстарында Арктиканың күшейтілген жылынуы төменгі атмосфералық аймақтарда күшейе түсетінін байқады, өйткені ауаның жылыну процесі қысым деңгейін арттырады, бұл полюске қарай геопотенциалдық биіктік градиенттерін азайтады. Бұл градиенттер жылулық жел қатынасы арқылы батыстан шығысқа қарай жел соғатын себеп болғандықтан, жылдамдықтың төмендеуі әдетте геопотенциалдық өсуі бар аймақтардың оңтүстігінде кездеседі. 2017 жылы Фрэнсис өзінің зерттеулерін Scientific American журналына былай түсіндірді: "Ұшқын ағымының үлкен ауытқулары арқылы көбірек су буы солтүстікке тасымалдануда. Бұл маңызды, өйткені су буы көміртегі диоксиді және метан сияқты жылуды ұстап тұратын газ. Ол атмосферадағы жылуды ұстайды. Бұл бу да бізге бұлттар деп белгілі тамшыларға конденсацияланады, олардың өзі де көбірек жылуды ұстайды. Бу күшею оқиғасының маңызды бөлігі болып табылады - Арктиканың басқа жерлерге қарағанда жылдамдау себебінің бірі". 2017 жылы климатолог доктор Джуда Коэн және оның зерттеуші әріптестері жүргізген зерттеуде Коэн "[полярлық вихрьтің күйіндегі өзгерістер Эуразияның орта ендіктеріндегі соңғы қысқы салқындау тенденциясының көп бөлігін түсіндіруге болады" деп жазды. 2018 жылғы Ваврус және басқалардың мақаласы Арктика күшеюін орта ендіктегі жазғы ыстық құрғақ экстремалды жағдайлармен, сондай-ақ орта ендіктегі қысқы құрлықтық салқындаумен байланыстырды. 2017 жылғы тағы бір мақалада Арктиканың аномалды жылыну кезінде Солтүстік Америкадағы біріншілік өнімділік орташа есеп бойынша 1%-дан 4%-ға дейін төмендейтіні, ал кейбір штаттарда шығын 20%-ға жететіні бағаланды. 2021 жылғы зерттеуде стратосфералық полярлық вихрьтің бұзылуы Азия мен Солтүстік Американың кейбір бөліктерінде экстремалды суық қысқы ауа райымен байланысты екені анықталды, соның ішінде 2021 жылдың ақпанындағы Солтүстік Америкадағы суық толқын. 2021 жылғы тағы бір зерттеу Арктика мұзының жоғалуы мен АҚШ-тың батысындағы өрттердің көлемінің ұлғаюы арасындағы байланысты анықтады. Алайда, нақты бақылаулардың қысқа мерзімді екеніне байланысты қорытындыларда белгілі бір белгісіздік бар. Климатологиялық бақылауларға түрлі жаратылыс факторларын климаттық тенденциялардан анық ажырату үшін ондаған жылдар қажет. Бұл мәселе 2013 және 2017 жылдарғы шолуларда баса айтылды. 2014 жылғы зерттеу Арктика күшеюінің соңғы онжылдықтарда Солтүстік жарты шардағы қысқы температураның өзгеруін айтарлықтай азайтқанын көрсетті. Суық Арктика ауасы бүгінде күз және қыс айларында жылырақ төмен ендіктерге жылдамдап еніп жатыр, бұл болашақта да жалғасады деп күтілуде, бірақ жазда болмайды, демек қыстарда суық экстремалды жағдайлар көбейе ме деген сұрақ туындайды. 2019 жылғы 35 182 метеостанциядан жиналған деректерді, оның ішінде 50 жылдан астам деректерді сақтайтын 9116 метеостанциядан жасалған талдау 1980 жылдардан бері солтүстік орта ендіктердегі суық толқындардың күрт азайғанын көрсетті. Сонымен қатар, 2010 жылдарда жиналған және 2020 жылдарда жарияланған ұзақ мерзімді бақылау деректері Арктика күшеюінің 2010 жылдардың басынан бері күшеюі орта ендіктердегі атмосфералық үлгілерде маңызды өзгерістерге байланысты емес екенін көрсетті. PAMIP (Полярлық күшею модельдерін салыстыру жобасы) зерттеулері 2010 жылғы PMIP2 нәтижелерін жақсартты, мұздың қысқаруы ұшқын ағымын әлсірететіні және атмосфералық блоктау ықтималдығын арттыратынын анықтады, бірақ байланыс өте шағын болды және көбінесе жылдық өзгерулерге қарағанда маңызсыз болды. 2022 жылы жарияланған қосымша зерттеуде PAMIP орташасы мұздың қысқаруынан туындаған әлсіреуді 1,2-ден 3 есеге бағалағанын көрсетті, тіпті түзетілген байланыс та ұшқын ағымының табиғи өзгеруінің 10% құрады. Сонымен қатар, 2021 жылғы зерттеуде ұшқын ағымдары 1960 жылдан бері модельдер болжағандай біртіндеп полюске қарай жылғанын, бірақ толқынданудың аз ғана ұлғаюына қарамастан әлсіремегені анықталды. 2022 жылы 2002-2020 жылдар аралығында жиналған ұшақ бақылау деректерінің қайта талдауы Солтүстік Атлант мұхитындағы ұшқын ағымының күшейгенін көрсетті. Соңғы 2021 жылғы зерттеуде Гренландия мұзының өзегіне сүйене отырып, соңғы 1250 жылдағы ұшқын ағымының үлгілерін қайта құруға мүмкіндік берді және жақында байқалған...

Since the early 2000s, climate models have consistently identified that global warming will gradually push jet streams poleward. In 2008, this was confirmed by observational evidence, which proved that from 1979 to 2001, the northern jet stream moved northward at an average rate of per year, with a similar trend in the Southern Hemisphere jet stream. Climate scientists have hypothesized that the jet stream will also gradually weaken as a result of global warming. Trends such as Arctic sea ice decline, reduced snow cover, evapotranspiration patterns, and other weather anomalies have caused the Arctic to heat up faster than other parts of the globe, in what is known as the Arctic amplification. In 2021 2022, it was found that since 1979, the warming within the Arctic Circle has been nearly four times faster than the global average, and some hotspots in the Barents Sea area warmed up to seven times faster than the global average. While the Arctic remains one of the coldest places on Earth today, the temperature gradient between it and the warmer parts of the globe will continue to diminish with every decade of global warming as the result of this amplification. If this gradient has a strong influence on the jet stream, then it will eventually become weaker and more variable in its course, which would allow more cold air from the polar vortex to leak mid latitudes and slow the progression of Rossby Waves, leading to more persistent and more extreme weather. The hypothesis above is closely associated with Jennifer Francis, who had first proposed it in a 2012 paper co authored by Stephen J. Vavrus. While some paleoclimate reconstructions have suggested that the polar vortex becomes more variable and causes more unstable weather during periods of warming back in 1997, this was contradicted by climate modelling, with PMIP2 simulations finding in 2010 that the Arctic oscillation was much weaker and more negative during the Last Glacial Maximum, and suggesting that warmer periods have stronger positive phase AO, and thus less frequent leaks of the polar vortex air. However, a 2012 review in the Journal of the Atmospheric Sciences noted that "there [has been] a significant change in the vortex mean state over the twenty first century, resulting in a weaker, more disturbed vortex. ", which contradicted the modelling results but fit the Francis Vavrus hypothesis. Additionally, a 2013 study noted that the then current CMIP5 tended to strongly underestimate winter blocking trends, and other 2012 research had suggested a connection between declining Arctic sea ice and heavy snowfall during midlatitude winters. In 2013, further research from Francis connected reductions in the Arctic sea ice to extreme summer weather in the northern mid latitudes, while other research from that year identified potential linkages between Arctic sea ice trends and more extreme rainfall in the European summer. At the time, it was also suggested that this connection between Arctic amplification and jet stream patterns was involved in the formation of Hurricane Sandy and played a role in the Early 2014 North American cold wave. In 2015, Francis' next study concluded that highly amplified jet stream patterns are occurring more frequently in the past two decades. Hence, continued heat trapping emissions favour increased formation of extreme events caused by prolonged weather conditions. Studies published in 2017 and 2018 identified stalling patterns of Rossby waves in the northern hemisphere jet stream as the culprit behind other almost stationary extreme weather events, such as the 2018 European heatwave, the 2003 European heat wave, 2010 Russian heat wave or the 2010 Pakistan floods, and suggested that these patterns were all connected to Arctic amplification. Further work from Francis and Vavrus that year suggested that amplified Arctic warming is observed as stronger in lower atmospheric areas because the expanding process of warmer air increases pressure levels which decreases poleward geopotential height gradients. As these gradients are the reason that cause west to east winds through the thermal wind relationship, declining speeds are usually found south of the areas with geopotential increases. In 2017, Francis explained her findings to the Scientific American: "A lot more water vapor is being transported northward by big swings in the jet stream. That's important because water vapor is a greenhouse gas just like carbon dioxide and methane. It traps heat in the atmosphere. That vapor also condenses as droplets we know as clouds, which themselves trap more heat. The vapor is a big part of the amplification story—a big reason the Arctic is warming faster than anywhere else." In a 2017 study conducted by climatologist Dr. Judah Cohen and several of his research associates, Cohen wrote that "[the] shift in polar vortex states can account for most of the recent winter cooling trends over Eurasian midlatitudes". A 2018 paper from Vavrus and others linked Arctic amplification to more persistent hot dry extremes during the midlatitude summers, as well as the midlatitude winter continental cooling. Another 2017 paper estimated that when the Arctic experiences anomalous warming, primary production in North America goes down by between 1% and 4% on average, with some states suffering up to 20% losses. A 2021 study found that a stratospheric polar vortex disruption is linked with extreme cold winter weather across parts of Asia and North America, including the February 2021 North American cold wave. Another 2021 study identified a connection between the Arctic sea ice loss and the increased size of wildfires in the Western United States. However, because the specific observations are considered short term observations, there is considerable uncertainty in the conclusions. Climatology observations require several decades to definitively distinguish various forms of natural variability from climate trends. This point was stressed by reviews in 2013 and in 2017. A study in 2014 concluded that Arctic amplification significantly decreased cold season temperature variability over the Northern Hemisphere in recent decades. Cold Arctic air intrudes into the warmer lower latitudes more rapidly today during autumn and winter, a trend projected to continue in the future except during summer, thus calling into question whether winters will bring more cold extremes. A 2019 analysis of a data set collected from 35 182 weather stations worldwide, including 9116 whose records go beyond 50 years, found a sharp decrease in northern midlatitude cold waves since the 1980s. Moreover, a range of long term observational data collected during 2010s and published in 2020s now suggests that the intensification of Arctic amplification since the early 2010s was not linked to significant changes on midlatitude atmospheric patterns. State of the art modelling research of PAMIP (Polar Amplification Model Intercomparison Project) improved upon the 2010 findings of PMIP2 it did find that sea ice decline would weaken the jet stream and increase the probability of atmospheric blocking, but the connection was very minor, and typically insignificant next to interannual variability. In 2022, a follow up study found that while the PAMIP average had likely underestimated the weakening caused by sea ice decline by 1.2 to 3 times, even the corrected connection still amounts to only 10% of the jet stream's natural variability. Additionally, a 2021 study found that while jet streams had indeed slowly moved polewards since 1960 as was predicted by models, they did not weaken, in spite of a small increase in waviness. A 2022 re analysis of the aircraft observational data collected over 2002–2020 suggested that the North Atlantic jet stream had actually strengthened. Finally, a 2021 study was able to reconstruct jet stream patterns over the past 1,250 years based on Greenland ice cores, and found that all of the recently observed changes remain within range of natural variability: the earliest likely time of divergence is in 2060, under the Representative Concentration Pathway 8.5 which implies continually accelerating greenhouse gas emissions.

Полярлық түн ұшағы

Полярлық түндегі қақпақ ағыны негізінен қыс айларында пайда болады, осы кезде түндер әлдеқайда ұзақ болады, сол себепті полярлық түндер тиісті жарты шарларда шамамен 60° ендікте болады. Полярлық түндегі қақпақ ағыны жазғы кезеңдегіден гөрі жоғарырақ биіктікте (шамамен 24384 м) жылдамдықпен қозғалады. Осы қараңғы айларда полюстердің үстіндегі ауа экватордағы ауадан әлдеқайда суық болады. Бұл температураның айырмашылығы стратосферадағы ауа қысымының күрт өзгешелігіне алып келеді, ал бұл Кориолис күшімен біріксе, полярлық түндегі қақпақ ағындарын құрайды, олар шамамен 48 км биіктікте шығысқа қарай жылдам жүгіреді. Полярлық бұралым полярлық түндегі қақпақ ағынымен шеңгелденген. Жылы ауа тек полярлық бұралымның шетімен ғана қозғала алады, бірақ оның ішіне енбейді. Бұралымның ішінде суық полярлық ауа одан әрі суық бола береді, полярлық түнде төмен ендіктерден жылы ауа да, күн энергиясы да кірмейді.

Төменгі деңгейлі ұшқыштар

Атмосфераның төменгі қабаттарында желдің күшті өсу орындары бар, олар сондай-ақ қанағаттар деп те аталады.

Кедергілік реакторы

Төменгі деңгейлерде тау тізбектерінің алдында кедергі ағысы қалыптасады, ал таулар осы ағысты тауларға параллель бағытта орналастырады. Тау кедергісі төменгі деңгейдегі желдің күшін 45 пайызға дейін арттырады. Солтүстік Американың Ұлы жазықтарында оңтүстік төменгі деңгейлі ағыс жылы маусымда түнгі уақыттағы дауылды ауа-райының күшеюіне көмектеседі, әдетте түнгі сағаттарда қалыптасатын мезомасштабты конвекциялық жүйелер түрінде. Ұқсас құбылыс Австралияда да дамиды, ол ылғалдылықты Коралл теңізінен полюсқа қарай тартады, нәтижесінде континенттің оңтүстік-батыс бөліктерінде төменгі деңгейдегі циклондық аймақтар қалыптасады.

Жағалаулық реактивті ұшақ

Жағалаудағы төменгі деңгейлі жел ағындары құрлықтағы жоғары температура мен теңіздегі төмен температура арасындағы күрт контрастпен байланысты және жағалау ауа райында маңызды рөл атқарады, жағалау бойындағы күшті желдерді тудырады. Көптеген жағалау ағындары мұхиттың жоғары қысым жүйелерімен және құрлықтағы жылулық төмен қысыммен байланысты. Бұл ағындар негізінен суық шығыс шекаралық теңіз ағындары бойымен орналасқан, атап айтқанда Калифорния, Перу, Чили, Бенгела, Португалия, Канар аралдары, Батыс Австралия және Йемен-Оман жағалауларындағы аймақтарда.

Өзеннен шығу реакторы

Доңғалақтан шығу ағысы – доңғалақтың қиылысы мен оған іргелес жазықтың үстінен шығатын күшті, доңғалақ бойымен төмен қарайтын, биік ауа ағысы. Мұндай желдер көбінесе жер бетінен жоғары қарай [биктік көрсетілмеген] метрге дейін сағатына [жылдамдық көрсетілмеген] жылдамдыққа жетеді. Ағыстан төменгі жер бетіндегі желдер, тіпті өсімдіктерді қозғалта алатын күшті болған жағдайда да, айтарлықтай әлсіз болады. Доңғалақтан шығу ағыстары, АҚШ-тың құрғақ таулары сияқты тәуліктік тау желдері жүйесіне ие аңғар аймақтарында кездесуі мүмкін. Кенеттен жазыққа тірелетін терең аңғарлар, доңғалақ бойымен қашықтық артқан сайын біртінде жайылатын аңғарларға қарағанда, осы факторларға көбірек бейім.

Африка

Африкада бірнеше маңызды төменгі деңгейдегі жел ағыстары бар. Сахарада көптеген төменгі деңгейлі жел ағыстары қалыптасады, олар шөл бетінен шаңды көтеру үшін маңызды. Бұған Чадтағы төменгі деңгейлі жел ағысы жатады, ол әлемдегі ең маңызды шаң шығаратын көз – Боделе депрессиясынан шаң шығаруға жауапты. Шығыс Африка жағалауында қалыптасатын Сомали ағысы – жаһандық Хэдли айналымының маңызды бөлігі және Азия муссонына су буын жеткізеді. Шығыс Африкадағы Рифт жүйесінің аңғарларында қалыптасатын шығыс төменгі деңгейлі жел ағыстары Шығыс Африкадағы жауын-шашынның аз болуына себеп болады және Конго ойпатындағы ылғалды ормандарда жоғары жауын-шашынды қамтамасыз етуге көмектеседі. Солтүстік Африкадағы жылулық төмен қысымның қалыптасуы маусымнан қазанға дейін төменгі деңгейдегі батыс жел ағысына алып келеді, ол Батыс Африка муссонына ылғалды ағын қамтамасыз етеді. Техникалық тұрғыдан төменгі деңгейлі жел ағысы болмаса да, орта деңгейдегі Африканың шығыс жел ағысы (жер бетінен 3000–4000 м биіктікте) Африканың маңызды климаттық ерекшелігі болып табылады. Бұл Батыс Африканың Сахель аймағында 10° және 20° ендік аралығында Солтүстік жартышарда жаз мезгілінде пайда болады. Орта деңгейдегі шығыс Африканың жел ағысы Батыс Африка муссонында маңызды рөл атқарады және жылы маусымда Атлант мұхиты мен Шығыс Тынық мұхиты арқылы қозғалатын тропикалық толқындарды қалыптастыруға көмектеседі.