Струйные течения в атмосфере: формирование, влияние и применение.

Введение

Быстро движущиеся атмосферные воздушные потоки.

Струйные течения — это быстро движущиеся, узкие, извилистые воздушные потоки в атмосферах Земли, Венеры, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. На Земле основные струйные течения располагаются вблизи высоты тропопаузы и представляют собой западные ветры (дующие с запада на восток). Струйные течения могут возникать, прекращаться, разделяться на две или более ветвей, объединяться в один поток или течь в различных направлениях, включая направление, противоположное основному направлению течения.

Обзор

Самые сильные струйные течения – это полярные струйные течения, окружающие полярные вихри, на высоте более чем над уровнем моря, а также более высокие и несколько более слабые субтропические струйные течения в Северном и Южном полушариях. Каждое полушарие имеет полярное и субтропическое струйное течение. Полярное струйное течение Северного полушария простирается над средними и северными широтами Северной Америки, Европы и Азии, а также над промежуточными океанами, в то время как полярное струйное течение Южного полушария в основном огибает Антарктиду, и оба – круглый год. Струйные течения являются результатом двух факторов: нагрева атмосферы солнечным излучением, который создает крупномасштабные полярные, ферреловские и хэдлиевские циркуляционные ячейки, и действия силы Кориолиса, воздействующей на эти движущиеся массы. Сила Кориолиса вызвана вращением планеты вокруг своей оси. На других планетах струйные течения приводятся в движение внутренним теплом, а не солнечным. Полярное струйное течение формируется вблизи границы полярной и ферреловской циркуляционных ячеек, а субтропическое – вблизи границы ферреловской и хэдлиевской циркуляционных ячеек. Существуют и другие струйные течения. Летом в Северном полушарии в тропических регионах могут формироваться восточные струйные течения, обычно там, где сухой воздух встречается с более влажным воздухом на больших высотах. Низкоуровневые струйные течения также характерны для различных регионов, таких как центральные Соединенные Штаты. Струйные течения также существуют в термосфере. Метеорологи используют местоположение некоторых из этих струйных течений в качестве вспомогательного инструмента для прогнозирования погоды. Основное коммерческое значение струйных течений заключается в авиаперевозках, поскольку время полета может значительно изменяться в зависимости от того, лететь по направлению течения или против него. Авиакомпании часто стремятся лететь «с» струйным течением, чтобы значительно сэкономить топливо и время. Динамические североатлантические трассы – один из примеров того, как авиакомпании и авиадиспетчеры сотрудничают, чтобы учитывать струйные течения и ветры на высоте, что обеспечивает максимальную выгоду для авиакомпаний и других пользователей. Вблизи струйных течений часто встречаются зоны ясной воздушной турбулентности, которая представляет потенциальную опасность для безопасности пассажиров самолета, но не вызывает существенных изменений во времени полета.

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.

Открытие

Первые признаки этого явления были замечены американским профессором Элиасом Лумисом (1811-1889) в 1800-х годах, когда он выдвинул гипотезу о мощном воздушном потоке в верхних слоях атмосферы, дующем с запада на восток над Соединенными Штатами, чтобы объяснить поведение крупных штормов. После извержения вулкана Кракатау в 1883 году наблюдатели за погодой в течение нескольких лет отслеживали и картографировали влияние этого события на небо. Они назвали это явление «экваториальным дымовым потоком». В 1920-х годах японский метеоролог Васабуро Ойши обнаружил струйное течение, находясь недалеко от горы Фудзи. Он отслеживал пилотные шары («пибалы»), используемые для измерения скорости и направления ветра, по мере их подъема в воздух. Работа Ойши в значительной степени осталась незамеченной за пределами Японии, поскольку была опубликована на эсперанто, однако хронологически ему следует отдать должное за научное открытие струйных течений. Американскому пилоту Уайли Посту (1898-1935), первому совершившему одиночный кругосветный перелет в 1933 году, часто приписывают некоторую заслугу в открытии струйных течений. Пост изобрел герметичный костюм, который позволял ему летать на большой высоте. За год до своей смерти Пост предпринял несколько попыток трансконтинентального полета на большой высоте и заметил, что иногда его приборная скорость значительно превышала воздушную. Немецкому метеорологу Генриху Зейлкопфу приписывают введение специального термина «Strahlströmung» (дословно «струйный поток») для обозначения этого явления в 1939 году. Многие источники считают, что настоящее понимание природы струйных течений стало возможным благодаря регулярным и повторяющимся траекториям полетов во время Второй мировой войны. Летчики постоянно отмечали попутный западный ветер, превышающий при полетах, например, из США в Великобританию. Аналогично, в 1944 году группа американских метеорологов на Гуаме, включая Рида Брайсона, располагала достаточным количеством наблюдений, чтобы прогнозировать очень сильные западные ветры, которые замедляли бомбардировщики, направлявшиеся к Японии.

Описание

Полярные струи обычно расположены около уровня давления 250 гПа (около 1/4 атмосферы) или выше уровня моря, в то время как более слабые субтропические струи находятся значительно выше, между ними. Струи резко смещаются в стороны и меняют высоту. Струйные течения формируются вблизи разрывов в тропопаузе, на переходах между полярной, ферреловской и хэдлианской циркуляционными ячейками, и циркуляция в этих ячейках, с учетом силы Кориолиса, действующей на воздушные массы, приводит в движение струйные течения. Полярные струи, расположенные на меньшей высоте и часто проникающие в умеренные широты, оказывают сильное влияние на погоду и авиацию. Полярная струя чаще всего встречается между 30° и 60° широты (ближе к 60°), а субтропические струи – вблизи 30° широты. В некоторых местах и в определенное время эти две струи сливаются, а в другое время они хорошо разделены. Считается, что северная полярная струя "следует за солнцем", медленно перемещаясь на север по мере прогрева полушария и на юг по мере его охлаждения. Ширина струи обычно составляет несколько сотен километров или миль, а ее вертикальная толщина часто менее. Струи обычно простираются на большие расстояния, но разрывы в них также нередки. Траектория струи обычно имеет извилистую форму, и эти изгибы распространяются к востоку со скоростью, меньшей, чем скорость ветра внутри потока. Каждый крупный изгиб, или волна, в струе известен как волна Россби (планетарная волна). Волны Россби вызываются изменением эффекта Кориолиса с широтой. Коротковолновые желоба – это волны меньшего масштаба, наложенные на волны Россби, с масштабом в несколько длин, которые движутся вдоль потока вокруг крупномасштабных, или длинноволновых, "гребней" и "желобов" внутри волн Россби. Струи могут разделяться на две, когда они сталкиваются с верхней циклонической впадиной, которая отклоняет часть струи под ее основание, в то время как остальная часть струи движется к северу. Скорость ветра максимальна там, где наибольшая разница температур между воздушными массами, и часто превышает. Метеорологи теперь понимают, что траектория струй влияет на циклонические системы нижних уровней атмосферы, поэтому знание их направления стало важной частью прогнозирования погоды. Например, в 2007 и 2012 годах Великобритания пережила сильные наводнения из-за того, что полярная струя оставалась на юге в течение лета.

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.

Причина

В общем, ветры наиболее сильны непосредственно под тропопаузой (за исключением локальных случаев, таких как торнадо, тропические циклоны или другие аномальные ситуации). Если встречаются две воздушные массы с разной температурой или плотностью, то разность давлений, вызванная разницей в плотности (которая в конечном итоге и вызывает ветер), будет максимальной в переходной зоне. Ветер не дует напрямую из области с высокой температурой в область с низкой, а отклоняется эффектом Кориолиса и движется вдоль границы между двумя воздушными массами. Все эти факты являются следствием соотношения теплового ветра. Баланс сил, действующих на воздушный пакет в атмосфере в вертикальном направлении, определяется главным образом противодействием между силой тяжести, действующей на массу пакета, и силой Архимеда (выталкивающей силой), или разностью давления между верхней и нижней гранями пакета. Любой дисбаланс между этими силами приводит к ускорению пакета в направлении дисбаланса: вверх, если сила Архимеда превышает вес, и вниз, если вес превышает силу Архимеда. Состояние равновесия в вертикальном направлении называется гидростатическим. За пределами тропиков доминирующие силы действуют в горизонтальном направлении, и основная борьба происходит между силой Кориолиса и силой градиента давления. Равновесие между этими двумя силами называется геострофическим. Исходя из гидростатического и геострофического равновесия, можно вывести соотношение теплового ветра: вертикальный градиент горизонтального ветра пропорционален горизонтальному градиенту температуры. Если две воздушные массы в Северном полушарии – одна холодная и плотная на севере, а другая теплая и менее плотная на юге – разделены вертикальной границей, и эта граница устраняется, то разница в плотности приведет к тому, что холодная воздушная масса подтекает под более теплую и менее плотную. Эффект Кориолиса заставит массу, движущуюся к полюсу, отклоняться на восток, а массу, движущуюся к экватору, – на запад. В атмосфере в целом наблюдается тенденция к понижению температуры в направлении полюсов. В результате ветры приобретают восточную составляющую, которая усиливается с высотой. Таким образом, сильные восточные струйные течения отчасти являются прямым следствием того, что экватор теплее северного и южного полюсов. На больших высотах отсутствие трения позволяет воздуху свободно реагировать на крутой градиент давления, характеризующийся низким давлением на большой высоте над полюсом. Это приводит к формированию планетарных ветровых циркуляций, которые подвергаются сильному отклонению Кориолиса и, следовательно, могут считаться «квазигеострофическими». Полярно-фронтальное струйное течение тесно связано с процессом фронтогенеза в средних широтах, поскольку ускорение/замедление воздушного потока вызывает области низкого/высокого давления соответственно, что связано с образованием циклонов и антициклонов вдоль полярного фронта в относительно узкой полосе. (Следует отметить, что в Южном полушарии отклонение происходит влево).

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).

Другие планеты

В атмосфере Юпитера существует множество струйных течений, вызванных конвекционными ячейками, формирующими привычную полосатую цветовую структуру; на Юпитере эти конвекционные ячейки приводятся в движение внутренним теплом. Факторы, определяющие количество струйных течений в планетарной атмосфере, являются активной областью исследований в динамической метеорологии. В моделях, при увеличении радиуса планеты при фиксированных остальных параметрах, количество струйных течений уменьшается.

Защита от ураганов

Субтропический струйный поток, огибающий основание глубокого океанического верхнего желоба, считается одной из причин, по которой большинство Гавайских островов оказались устойчивы к длинному списку гавайских ураганов, приближавшихся к ним. Например, когда ураган Flossie (2007) приближался и рассеялся непосредственно перед выходом на сушу, Национальное управление океанических и атмосферных исследований США (NOAA) указало на вертикальный сдвиг ветра, что видно на фотографии. Это не только сокращает время полета, но и обеспечивает экономию топлива для авиакомпаний. В Северной Америке время, необходимое для перелета на восток через континент, может быть сокращено примерно на 30 минут, если самолет летит по попутному струйному потоку, или увеличено более чем на это время, если ему приходится лететь на запад против него. С струйными потоками связано явление, известное как турбулентность ясного воздуха (CAT), вызванная вертикальным и горизонтальным сдвигом ветра, обусловленным струйными потоками. CAT наиболее сильна на стороне холодного воздуха струи, рядом с ее осью и непосредственно под ней. Турбулентность ясного воздуха может приводить к резким снижениям самолета и, следовательно, представляет опасность для пассажиров, что приводило к смертельным авариям, таким как гибель одного пассажира на рейсе 826 авиакомпании United Airlines. Необычно высокая скорость ветра в струйном потоке в конце февраля 2024 года разогнала коммерческие самолеты до скорости более 800 миль в час, что является беспрецедентным для коммерческого авиалайнера.

Возможная будущая генерация электроэнергии

Ученые изучают способы использования энергии ветра в струйных течениях. По одной оценке, для удовлетворения текущих мировых потребностей в энергии потребуется всего один процент от потенциальной энергии ветра, содержащейся в струйных течениях. В конце 2000-х годов оценивалось, что разработка необходимой технологии займет, по сообщениям, 10–20 лет. Существуют две основные, но существенно различающиеся научные статьи об энергии струйных течений. Арчер и Кальдейра утверждают, что струйные течения Земли могут генерировать общую мощность в 1700 тераватт (ТВт), и что климатическое воздействие от использования такого объема будет незначительным. Однако Миллер, Ганс и Клейдон утверждают, что струйные течения могут генерировать лишь 7,5 ТВт энергии, и что климатическое воздействие будет катастрофическим.

Необорудованные воздушные атаки

В конце Второй мировой войны, с конца 1944 года до начала 1945 года, японская бомба-воздушный шар Fu Go, представлявшая собой тип зажигательного аэростата, была разработана как дешевое оружие, предназначенное для использования струйного течения над Тихим океаном с целью достижения западного побережья Канады и Соединенных Штатов. Будучи относительно неэффективным оружием, эти аэростаты были использованы в одной из немногих атак на Северную Америку во время Второй мировой войны, что привело к гибели шести человек и незначительным повреждениям. Американские ученые, изучавшие эти воздушные шары, предполагали, что японцы могут готовить биологическое нападение.

Эффекты ENSO

Южное колебание Эль-Ниньо (ENSO) влияет на среднее положение высотных струйных течений и вызывает циклические изменения в количестве осадков и температуры в Северной Америке, а также оказывает влияние на формирование тропических циклонов в восточной части Тихого и Атлантического океанов. В сочетании с Тихоокеанским десятилетним колебанием (PDO), ENSO может также влиять на количество осадков в холодный период года в Европе. Изменения в ENSO также меняют положение струйного течения над Южной Америкой, что частично сказывается на распределении осадков на континенте.

Эль-Ниньо

Во время явлений Эль-Ниньо в Калифорнии ожидается увеличение количества осадков из-за более южной, зональной траектории циклонов. В фазу Ниньо в рамках ENSO количество осадков увеличивается вдоль побережья Мексиканского залива и на юго-востоке США из-за более сильного, чем обычно, и более южного полярного течения. Снегопад превышает средние значения в южных Скалистых горах и горной системе Сьерра-Невада, и значительно ниже нормы – в Верхнем Среднем Западе и штатах Великих озёр. Северные штаты континентальной части США демонстрируют температуры выше нормы осенью и зимой, в то время как побережье Мексиканского залива испытывает температуры ниже нормы в зимний сезон. Субтропическое течение в глубоких тропиках Северного полушария усиливается из-за увеличения конвекции в экваториальной части Тихого океана, что приводит к снижению тропического циклогенеза в Атлантическом тропике ниже нормы и увеличению активности тропических циклонов в восточной части Тихого океана. В Южном полушарии субтропическое течение смещается к экватору, или к северу, от своего обычного положения, отклоняя фронтальные системы и грозовые комплексы от центральных районов континента. Траектория циклонов смещается достаточно далеко на север, чтобы принести более влажные, чем обычно, условия (в виде повышенного снегопада) в штаты Среднего Запада, а также жаркое и сухое лето. Снегопад выше нормы наблюдается на северо-западе Тихого океана и на западе Великих озёр.

Пыльная чаша

Существуют доказательства того, что струйное течение было, по крайней мере, частично ответственно за широко распространенные засушливые условия во время Пыльного котла 1930-х годов на Среднем Западе Соединенных Штатов. Обычно струйное течение течет на восток над Мексиканским заливом и поворачивает на север, поднимая влагу и принося дожди на Великие равнины. Во время Пыльного котла струйное течение ослабло и изменило свой маршрут, отклонившись южнее обычного. Это привело к тому, что Великие равнины и другие районы Среднего Запада лишились осадков, вызвав исключительную засуху.

Долгосрочные климатические изменения

С начала 2000-х годов климатические модели последовательно указывают на то, что глобальное потепление будет постепенно смещать струйные течения к полюсам. В 2008 году это было подтверждено наблюдательными данными, которые показали, что с 1979 по 2001 год северное струйное течение перемещалось на север в среднем на [значение] в год, с аналогичной тенденцией в южном полушарии. Климатологи выдвинули гипотезу о том, что струйные течения также будут постепенно ослабевать в результате глобального потепления. Такие явления, как сокращение арктического морского льда, уменьшение снежного покрова, изменения в испаропотоке и другие погодные аномалии, привели к тому, что Арктика нагревается быстрее, чем другие части земного шара, в процессе, известном как арктическое усиление. В 2021–2022 годах было установлено, что с 1979 года потепление в пределах Северного полярного круга происходило почти в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру, а в некоторых районах Баренцева моря – до семи раз быстрее. Несмотря на то, что Арктика остается одним из самых холодных мест на Земле, температурный градиент между ней и более теплыми регионами будет продолжать уменьшаться с каждым десятилетием глобального потепления из-за этого усиления. Если этот градиент оказывает существенное влияние на струйные течения, то они в конечном итоге станут слабее и более изменчивыми, что позволит большему количеству холодного воздуха из полярного вихря проникать в средние широты и замедлять распространение волн Россби, приводя к более устойчивой и экстремальной погоде. Эта гипотеза тесно связана с именем Дженнифер Фрэнсис, которая впервые предложила ее в статье 2012 года, написанной в соавторстве со Стивеном Дж. Ваврусом. Хотя некоторые палеоклиматические реконструкции указывают на то, что полярный вихрь становится более изменчивым и вызывает более нестабильную погоду в периоды потепления, начиная с 1997 года, это противоречило результатам климатического моделирования. В частности, моделирование PMIP2 в 2010 году показало, что арктические колебания были значительно слабее и более отрицательными во время последнего ледникового максимума, и предполагало, что в более теплые периоды наблюдается более сильная положительная фаза AO, и, следовательно, менее частые прорывы полярного вихря. Однако в обзоре 2012 года, опубликованном в журнале "Journal of the Atmospheric Sciences", отмечалось, что "в течение двадцать первого века произошло значительное изменение среднего состояния вихря, в результате чего он стал слабее и более неустойчивым", что противоречило результатам моделирования, но соответствовало гипотезе Фрэнсис-Вавруса. Кроме того, исследование 2013 года показало, что модель CMIP5 того времени склонна к существенной недооценке тенденций к блокирующим антициклонам зимой, а другие исследования 2012 года предполагали связь между сокращением арктического морского льда и обильными снегопадами в средних широтах зимой. В 2013 году дальнейшие исследования Фрэнсис связали сокращение арктического морского льда с экстремальной летней погодой в северных средних широтах, в то время как другие исследования того же года выявили потенциальную связь между тенденциями арктического морского льда и более сильными осадками летом в Европе. В то время также предполагалось, что эта связь между арктическим усилением и структурой струйных течений сыграла роль в формировании урагана Сэнди и повлияла на североамериканскую холодную волну начала 2014 года. Исследование Фрэнсис 2015 года пришло к выводу, что сильно усиленные структуры струйных течений стали возникать чаще за последние два десятилетия. Следовательно, продолжающиеся выбросы парниковых газов способствуют увеличению частоты экстремальных явлений, вызванных продолжительными погодными условиями. Исследования, опубликованные в 2017 и 2018 годах, выявили замедление волн Россби в струйном течении Северного полушария как причину других почти стационарных экстремальных погодных явлений, таких как европейская жара 2018 года, европейская жара 2003 года, российская жара 2010 года или пакистанские наводнения 2010 года, и предположили, что все эти явления связаны с арктическим усилением. Дальнейшая работа Фрэнсис и Вавруса в том же году показала, что усиленное потепление Арктики проявляется сильнее в нижних слоях атмосферы, поскольку расширение теплого воздуха увеличивает уровни давления, что уменьшает градиенты геопотенциальной высоты к полюсам. Поскольку эти градиенты являются причиной ветров с запада на восток в соответствии с термическим ветром, снижение скорости обычно наблюдается к югу от областей с увеличением геопотенциальной высоты. В 2017 году Фрэнсис объяснила свои выводы в журнале Scientific American: "Гораздо больше водяного пара переносится на север большими колебаниями струйного течения. Это важно, потому что водяной пар – это парниковый газ, как и углекислый газ и метан. Он удерживает тепло в атмосфере. Этот пар также конденсируется в капли, которые мы знаем как облака, которые также удерживают больше тепла. Пар играет большую роль в процессе усиления – это одна из основных причин того, что Арктика нагревается быстрее, чем где бы то ни было". В исследовании 2017 года, проведенном климатологом доктором Джудой Коэном и его коллегами, Коэн писал, что "[изменение состояний полярного вихря может объяснить большую часть недавних тенденций к похолоданию зимой в средних широтах Евразии]". Статья 2018 года, написанная Ваврусом и другими, связала арктическое усиление с более продолжительными периодами сильной жары и засухи летом в средних широтах, а также с похолоданием зимой в континентальных районах средних широт. Другая статья 2017 года оценила, что при аномальном потеплении в Арктике первичная продукция в Северной Америке снижается в среднем на 1–4%, а в некоторых штатах – до 20%. Исследование 2021 года показало, что разрушение стратосферного полярного вихря связано с экстремально холодной зимней погодой в некоторых частях Азии и Северной Америки, включая североамериканскую холодную волну февраля 2021 года. Другое исследование 2021 года выявило связь между потерей арктического морского льда и увеличением масштабов лесных пожаров на западе Соединенных Штатов. Однако, поскольку конкретные наблюдения считаются краткосрочными, в выводах существует значительная неопределенность. Климатологические наблюдения требуют нескольких десятилетий, чтобы окончательно отличить различные формы естественной изменчивости от климатических тенденций. Этот момент был подчеркнут в обзорах 2013 и 2017 годов. Исследование 2014 года пришло к выводу, что арктическое усиление значительно уменьшило изменчивость температуры в холодное время года в Северном полушарии в последние десятилетия. Холодный арктический воздух сегодня быстрее проникает в более теплые нижние широты осенью и зимой, тенденция, которая, как ожидается, сохранится в будущем, за исключением лета, что ставит под сомнение, будут ли зимы приносить больше холодных экстремумов. Анализ 2019 года данных, собранных с 35 182 метеостанций по всему миру, включая 9116, записи которых охватывают более 50 лет, показал резкое снижение частоты холодных волн в северных средних широтах с 1980-х годов. Более того, ряд долгосрочных наблюдательных данных, собранных в 2010-х годах и опубликованных в 2020-х годах, теперь свидетельствуют о том, что интенсификация арктического усиления с начала 2010-х годов не связана со значительными изменениями в атмосферных паттернах средних широт. Современные модельные исследования PAMIP (Polar Amplification Model Intercomparison Project) улучшили результаты PMIP2 2010 года: они показали, что сокращение морского льда ослабит струйное течение и увеличит вероятность атмосферных блокировок, но эта связь была очень незначительной и обычно несущественной по сравнению с межгодовой изменчивостью. В 2022 году последующее исследование показало, что, хотя среднее значение PAMIP, вероятно, недооценило ослабление, вызванное сокращением морского льда, в 1,2–3 раза, даже скорректированная связь составляет всего 10% естественной изменчивости струйного течения. Кроме того, исследование 2021 года показало, что, хотя струйные течения действительно медленно смещались к полюсам с 1960 года, как и предсказывали модели, они не ослабевали, несмотря на небольшое увеличение волнистости. Повторный анализ данных, собранных самолетами в период с 2002 по 2020 год, показал, что струйное течение в Северной Атлантике фактически усилилось. Наконец, исследование 2021 года позволило реконструировать структуру струйных течений за последние 1250 лет на основе кернов льда Гренландии и показало, что все недавно наблюдаемые…

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.

Полярный ночной самолет

Полярная ночная струя формируется преимущественно в зимние месяцы, когда ночи значительно длиннее, то есть наступают полярные ночи, в соответствующих полушариях на широте около 60°. Полярная ночная струя движется на большей высоте (около 80 000 футов или 24 384 м), чем летом. В эти темные месяцы воздух над полюсами становится гораздо холоднее, чем над экватором. Эта разница температур создает значительные перепады давления в стратосфере, которые, в сочетании с эффектом Кориолиса, формируют полярные ночные струи, несущиеся на восток на высоте около 48 км. Полярный вихрь окружен полярной ночной струей. Теплый воздух может перемещаться только вдоль границы полярного вихря, но не проникать внутрь него. Внутри вихря холодный полярный воздух становится все более и более холодным, поскольку в период полярной ночи не поступает ни теплый воздух с более низких широт, ни солнечная энергия.

Низкоуровневые струи

На нижних уровнях атмосферы существуют области максимальной скорости ветра, которые также называют струйными течениями.

Барьерный струй

Барьерный струй в нижних слоях атмосферы формируется непосредственно перед горными хребтами, при этом горы заставляют струй ориентироваться параллельно горным хребтам. Горный барьер усиливает скорость ветра на 45 процентов. В Северной Америке, над Великими равнинами, южный приземный струй способствует развитию ночной грозовой деятельности в тёплый период года, как правило, в виде мезомасштабных конвективных систем, формирующихся в ночное время. Аналогичное явление наблюдается и в Австралии, где влага переносится с Кораллового моря в направлении полюса к отрезавшимся циклонам, которые преимущественно образуются в юго-западной части континента.

Прибрежный самолет

Прибрежные низкоуровневые струи связаны с резким контрастом между высокими температурами над сушей и более низкими температурами над морем и играют важную роль в прибрежной погоде, вызывая сильные ветры, параллельные побережью. Большинство прибрежных струй связано с океаническими областями высокого давления и термическими ложбинами над сушей. Эти струи в основном располагаются вдоль холодных восточных прибрежных течений, в районах апвеллинга у берегов Калифорнии, Перу, Чили, Бенгелы, Португалии, Канарских островов и Западной Австралии, а также у берегов Йемена и Омана.

Выход из долины

Выходной струйный поток долины – это сильный, нисходящий вдоль долины, приподнятый воздушный поток, который возникает над местом пересечения долины и прилегающей равнины. Эти ветры часто достигают скорости до [значение скорости] на высоте [значение высоты] над землей. Поверхностные ветры, находящиеся ниже струйного потока, как правило, значительно слабее, даже если они достаточно сильны, чтобы раскачивать растительность. Выходные струйные потоки долины наиболее вероятны в долинных регионах, где наблюдаются суточные горные ветровые системы, например, в засушливых горных хребтах США. Глубокие долины, резко обрывающиеся к равнине, подвержены влиянию этих факторов в большей степени, чем долины, которые постепенно становятся более пологими по мере удаления вниз по долине.

Африка

В Африке существует несколько важных низкоуровневых струйных течений. В Сахаре формируются многочисленные низкоуровневые струи, играющие важную роль в поднятии пыли с поверхности пустыни. К ним относится низкоуровневая струя в Чаде, ответственная за выбросы пыли из депрессии Боделе – крупнейшего в мире источника пылевых выбросов. Сомалийская струя, формирующаяся у восточного побережья Африки, является важным компонентом глобальной циркуляции Хэдли и обеспечивает поступление водяного пара в азиатский муссон. Восточные низкоуровневые струи, образующиеся в долинах Восточноафриканской рифтовой системы, способствуют низкому уровню осадков в Восточной Африке и поддерживают обильные осадки в тропических лесах бассейна Конго. Формирование термической низменности над северной Африкой приводит к образованию низкоуровневого западного струйного течения с июня по октябрь, которое обеспечивает влажный приток к западноафриканскому муссону. Хотя формально это не низкоуровневая струя, среднеуровневое африканское восточное струйное течение (на высоте 3000–4000 м над поверхностью) также является важной климатической особенностью Африки. Оно наблюдается в летний период в Северном полушарии между 10° и 20° северной широты над регионом Сахель в Западной Африке. Считается, что среднеуровневое восточноафриканское струйное течение играет решающую роль в западноафриканском муссоне и способствует формированию тропических волн, перемещающихся через тропическую часть Атлантического и восточную часть Тихого океанов в теплый сезон.