Strumień powietrza i jego rola w globalnej pogodzie i lotnictwie



Wysoko nad ziemią, na wysokości 9–16 km (w pobliżu tropopauzy), wokół planety krążą wąskie pasma szybko płynącego powietrza. Te szybko płynące korytarze powietrzne nazywane są strumieniami powietrza. Kierują one systemami burzowymi, wpływają na wzorce temperatur i determinują trasy lotów na całym świecie. Zrozumienie ich powstawania i zmian znacznie przyczynia się do zrozumienia wielu zmian pogodowych, których doświadczamy na ziemi. Ich zachowanie łączy również codzienną pogodę z długoterminowymi wzorcami klimatycznymi, co czyni je jedną z najbardziej wpływowych cech atmosfery.

Strumienie powietrza to korytarze silnych wiatrów, które przepływają wokół Ziemi z zachodu na wschód. Powstają one tam, gdzie występują duże różnice temperatur między masami powietrza, zwłaszcza tam, gdzie ciepłe powietrze subtropikalne styka się z zimnym powietrzem polarnym. Silny kontrast powoduje poziome gradienty ciśnienia, które wraz z rotacją Ziemi powodują szybki przepływ powietrza na wysokości blisko tropopauzy.

Na wysokości około 9–16 km nad ziemią powietrze porusza się najszybciej, ponieważ tarcie jest niewielkie, a efekt Coriolisa silny. Typowe prędkości wiatru osiągają latem 90–120 km/h, ale zimą mogą przekraczać 400 km/h. Prąd powietrza koncentruje się na obszarze o szerokości zaledwie kilkuset kilometrów i głębokości kilku kilometrów. Siła i położenie tych prądów powietrznych zależą od pory roku i szerokości geograficznej. Przesuwają się one wraz z położeniem słońca na północ i południe, determinując w ten sposób miejsca powstawania burz i zderzania się mas powietrza. Zmiany w strumieniach prądów powietrznych powodują również zmiany w globalnych trajektoriach burz. Strumienie powietrza nie są ciągłymi pasmami. Występują one w postaci segmentów i łuków, które okrążają obie półkule i zmieniają się codziennie wraz z systemami pogodowymi znajdującymi się poniżej. Te zmienne wzorce wyjaśniają, dlaczego spokojny tydzień w jednym regionie może zbiegać się z silnymi burzami w innym miejscu.

Dwa duże pasma ruchów

Najważniejsze strumienie powietrza to strumień polarny i strumień subtropikalny. Oba powstają w sposób naturalny w wyniku cyrkulacji atmosferycznej na dużą skalę, ale działają na różnych szerokościach geograficznych i wysokościach.

Strumień polarny przebiega w obu półkulach w pobliżu 50. do 60. szerokości geograficznej. Oddziela on zimne powietrze polarne od cieplejszego powietrza średnich szerokości geograficznych. Na wysokości około 9 do 12 km nad ziemią wzmacnia się on zimą, kiedy różnica temperatur między biegunem a równikiem jest największa. Jego położenie w znacznym stopniu determinuje trajektorię cyklonów i frontów zimnych średnich szerokości geograficznych. Subtropikalny strumień powietrza tworzy się w pobliżu 30. stopnia szerokości geograficznej po stronie polarnej komórki Hadleya, zazwyczaj na wysokości 12–16 km. Powstaje on, gdy tropikalne masy powietrza płynące w kierunku bieguna zachowują swój moment pędu i przyspieszają w kierunku wschodnim. Strumień ten często stanowi granicę między tropikalnymi i pozatropikalnymi systemami pogodowymi.

Czasami te dwa prądy łączą się w jeden, silniejszy prąd. W takim przypadku połączony prąd może wzmacniać silne burze w głębi i tworzyć głębokie obszary niskiego ciśnienia, które przemieszczają się nad kontynentami. To połączenie często występuje zimą nad Pacyfikiem i Atlantykiem. Obecność lub brak tych strumieni powietrza determinuje pogodę w danym regionie. Polarny strumień powietrza napędza trasy burz nad Ameryką Północną i Europą, podczas gdy subtropikalny strumień powietrza kształtuje wzorce monsunów i subtropikalnych obszarów wysokiego ciśnienia.

Meandrujący przebieg fal Rossby'ego

Strumienie prądów powietrznych rzadko przebiegają w linii prostej. Ich przebieg opisują duże, faliste krzywe, tzw. fale Rossby'ego. Fale te powstają w wyniku rotacji Ziemi, która zmienia się wraz z szerokością geograficzną. Gdy powietrze przepływa na północ lub południe, zachowuje swój moment pędu, tworząc naprzemiennie wyżyny i doliny. Wyżowe grzbiety przynoszą ciepłą, stabilną pogodę, ponieważ strumień powietrza wygina się w kierunku biegunów, podczas gdy obszary niskiego ciśnienia powodują przepływ zimnego powietrza w kierunku równika i wywołują burze. Siła i długość fal determinują prędkość systemów pogodowych. W przypadku silnego wzmocnienia fale mogą zwolnić i utrwalić regiony w stałych wzorcach pogodowych.

Stacjonarna dolina niskiego ciśnienia może powodować tygodniowe opady deszczu i powodzie, podczas gdy blokujący grzbiet wysokiego ciśnienia może powodować długotrwałe fale upałów lub okresy suszy. Ekstremalne upały w Europie w 2022 r. i fale zimna w Ameryce Północnej w 2021 r. powstały w wyniku takich wzmocnionych wzorców strumienia prądów powietrznych. Naukowcy badają, czy wzmocnienie arktyczne powoduje, że fale te są większe i wolniejsze. Ponieważ Arktyka nagrzewa się szybciej niż średnie szerokości geograficzne, kontrast temperatur osłabia się, co może zmniejszać prędkość strumienia prądów powietrznych i powodować, że fale utrzymują się dłużej. Kwestia ta pozostaje nadal otwarta, ale jej wynik ma daleko idące konsekwencje dla ekstremalnych zjawisk pogodowych. Fale Rossby'ego transportują również energię i impuls przez atmosferę, łącząc regiony tropikalne i polarne. Są one mechanizmem, który umożliwia zaburzeniom w jednej półkuli oddziaływanie na drugą w ciągu kilku dni.

Strumienie powietrza i zjawiska pogodowe na powierzchni

W obrębie każdego strumienia powietrza wąskie strefy o jeszcze większej prędkości wiatru, zwane strumieniami powietrza, odgrywają kluczową rolę w kształtowaniu pogody poniżej. Strumienie te mogą osiągać prędkości 300–400 km/h i rozciągać się na setki kilometrów wzdłuż prądu. Powietrze wpływa do tych rdzeni i ponownie zwalnia, tworząc strefy dywergencji i konwergencji na wysokości. Jeśli powietrze na wysokościach ulega dywergencji, powietrze z niższych warstw musi wznieść się, aby je zastąpić. Sprzyja to tworzeniu się chmur i wzmacnia obszary niskiego ciśnienia. Z drugiej strony, konwergencja na wysokościach sprzyja opadającym prądom powietrza i powstawaniu obszarów wysokiego ciśnienia.

Meteorolodzy analizują strumienie prądów powietrznych za pomocą map na poziomie 250 hPa, około 10–11 km nad poziomem morza. Obszary po lewej stronie wylotu i po prawej stronie wlotu tych strumieni prądów powietrznych są szczególnie sprzyjające powstawaniu burz. Wyrównanie strumienia prądów powietrznych z niżem naziemnym może znacznie wzmocnić jego intensywność. Ta dynamika wyjaśnia, dlaczego strumień powietrza tak skutecznie kontroluje warunki pogodowe na ziemi. Fronty, cyklony i skupiska burz podążają jego torem i poruszają się wraz z szybkim prądem wysokościowym. Zmiany prędkości lub położenia strumienia powietrza szybko znajdują odzwierciedlenie w warunkach pogodowych, których doświadczamy na ziemi.

Strumień powietrza a trasy lotnicze

Współczesna lotnictwo jest uzależnione od położenia strumienia prądów powietrznych. Samoloty lecące na wschód nad Atlantykiem lub Pacyfikiem często wykorzystują tylny wiatr strumienia prądów powietrznych, aby zaoszczędzić czas i paliwo. Silny strumień prądów powietrznych zimą może skrócić lot transatlantycki o ponad 30 minut. Ten sam strumień prądów powietrznych, wiejący na zachód, wydłuża czas lotu i zwiększa zużycie paliwa.

Planiści lotów codziennie śledzą mapy wiatrów w 250 hPa, aby dostosować trasy lotów. System zorganizowanych tras lotniczych północnoatlantyckich (NAOTS) codziennie zmienia trasy wschodnie i zachodnie w zależności od lokalizacji samolotu. Efekt jest tak znaczący, że oszczędność paliwa może wynosić tysiące kilogramów na lot. Jednak strumień powietrza niesie ze sobą również ryzyko. Strefy ścinania powyżej i poniżej jego rdzenia powodują turbulencje w czystym powietrzu, które są niewidoczne na radarze i mogą gwałtownie wstrząsać samolotami. Piloci polegają na raportach i danych satelitarnych, aby omijać te obszary. Prognozy turbulencji opierają się na sile pionowego ścinania wiatru w pobliżu osi strumienia powietrza.

Warunki pogodowe związane z ruchem lotniczym mogą wpływać na bezpieczeństwo lotów poprzez oblodzenie w wyższych warstwach powietrza i gwałtowne zmiany ciśnienia. Z tego powodu międzynarodowa meteorologia lotnicza stale monitoruje zachowanie samolotów odrzutowych za pomocą satelitarnych pomiarów wiatru, radiosond i obserwacji samolotów. Oprócz komercyjnego ruchu lotniczego strumień prądów powietrznych ma również wpływ na balony badawcze, szybowce i rozprzestrzenianie się popiołu wulkanicznego. Jego dokładna prognoza jest niezbędna zarówno dla regularnego ruchu lotniczego, jak i dla badań atmosfery.

Globalna widoczność przy 250 hPa

Służby meteorologiczne obserwują strumień prądów powietrznych głównie na poziomie ciśnienia 250 hPa, co w średnich szerokościach geograficznych odpowiada wysokości około 10–12 km (33 000–39 000 stóp). Na tej wysokości występuje maksymalna prędkość wiatru i zazwyczaj znajduje się tam rdzeń strumienia prądów powietrznych. Na mapach 250 hPa meteorolodzy nanoszą izotachy, czyli linie o jednakowej prędkości wiatru, aby uwidocznić strumienie powietrza i maksymalne prędkości wiatru. Wzory dywergencji na tych mapach wskazują obszary sprzyjające powstawaniu burz. Te same mapy są wykorzystywane przez meteorologów lotniczych do wydawania ostrzeżeń o turbulencjach i trasach lotów. Dzięki satelitarnym pomiarom wiatru i danym z reanalizy można obecnie monitorować aktywność strumienia prądów powietrznych na całym świecie niemal w czasie rzeczywistym. Narzędzia takie jak program JetStream NOAA i wizualizacja Earth Nullschool przedstawiają te wiatry na całej planecie.

Typowa mapa pokazuje dwa silne pasma wiatru zachodniego na każdej półkuli: polarny strumień prądów powietrznych w pobliżu 60° szerokości geograficznej północnej i subtropikalny strumień prądów powietrznych w pobliżu 30°. Nad północnym Atlantykiem polarny strumień prądów powietrznych biegnie łukiem w kierunku Europy i czasami dzieli się na kilka odgałęzień. Na półkuli południowej ciągły pas silnych wiatrów zachodnich okrąża Antarktydę, powodując utrzymujące się „rzeszczące czterdziestki”.

Mapy takie są niezbędne do prognozowania nie tylko poszczególnych systemów pogodowych, ale także długoterminowych zmian klimatu. Pokazują one, jak rozkłada się energia w atmosferze i jak ta równowaga zmienia się w czasie.

Klimat, cyrkulacja i przyszłość strumieni

Strumienie powietrza są widocznym znakiem nierównowagi energetycznej Ziemi między równikiem a biegunami. Wraz ze wzrostem globalnych temperatur równowaga ta ulega przesunięciu, co powoduje zmianę siły i szerokości geograficznej strumieni powietrza. Niektóre modele klimatyczne wskazują, że subtropikalny strumień powietrza przesunie się w kierunku biegunów, a polarny strumień powietrza osłabnie, co spowoduje zmianę tras przejścia burz w średnich szerokościach geograficznych. Inne modele wskazują, że zwiększone gradienty temperatury w górnej troposferze mogą sezonowo wzmocnić strumienie powietrza. W rzeczywistości oba efekty mogą występować w różnych warstwach atmosfery.

Zmiany te wpływają na rozkład opadów, wydajność rolnictwa i częstotliwość występowania ekstremalnych zjawisk pogodowych. Trwałe przesunięcie na północ może spowodować, że niektóre regiony staną się bardziej wilgotne, a inne bardziej suche. Skutki tych zmian można już zaobserwować w zmienionych trasach burz nad północnym Atlantykiem i północnym Pacyfikiem.

---

Amon
www.strefa44.pl
www.strefa44.com.pl