这条天然高速为何成为飞机跨越大西洋的必经之路

2021-07-19 02:36黄宛宁王帆
飞碟探索 2021年3期
关键词:急流大西洋炸弹

黄宛宁 王帆

如果要跨国出远门,相信飞机会成为大家首选的交通工具,但很少有人注意飞机是选择哪条线路到达目的地的。下图标的就是飞机穿越大西洋时必经的航线,但看完我们不免困惑,大西洋上空明明这么广阔,为何所有飞机都要挤同一条“空中走廊”呢?

天空中的高速公路真实存在

大洋无边,为何这么多飞机不“各飞一边”?这还要从一位气象学家的发现说起。

100多年前,英国飞行员约翰·阿尔科克和亚瑟·惠滕·布朗从纽芬兰直飞爱尔兰,创下了人类第一次不间飞越大西洋的纪录。1919年的这次首航用时长达16小时,其间糟糕的视线、恶劣的天气始终干扰着飞行,飞行员也没有任何导航工具可以使用。快进一个世纪后,飞越大西洋已成为家常便饭,每天有超过1750架次的航班穿越大西洋到达欧洲。科技的进步显然是促成这一变化的一个重要因素,但一位气象学家的发现也起到了不可替代的作用。

日本气象学家大石和三郎在天空中发现了一条“高速公路”,这条路能使飞机以更快的速度和更大的运量出行。

1923—1925年间,大石和三郎通过释放气象气球,跟踪它们的位置和速度,对他说的高空气流进行了近1300次观测,得到了全新发现。不幸的是,当时成果是用世界语(1887年发明创立的一种语言,旨在消除人类国际交往的语言沟通障碍)发表的,他的发现并没有引起太多注意。当时的大多数人也不知道天空中“河流”(后被称为“急流”)的存在。

在对高空气流一系列的观测实验中,大石和三郎观察到,气象气球在到达约万米高空处,会进入一个风速极快的区域。气象气球在此区域内能够以高达300千米/时的速度飞行,只需要3天左右时间就能从日本到达美国本土。

日本曾在第二次世界大战末期,利用这些高空区域的风释放了数千个绑着炸弹的氢气球,企图轰炸美国本土。按照计划,气球炸弹升空后,必须一直保持在10 058米的高度。因为只有这个高度,才能借助东去的气流。他们设计了一种由高度计驱动的自动控制系统,用于丢弃气球的压载物或排放氢气。当气球高度低于10 058米时,压载沙袋就会自动脱落,使气球升高;当气球高度高于10 058米时,气球气囊的阀门便会自动排出氢气,使气球下降。

在大约9000枚炸弹中,预计约有1/10的炸弹到达了北美地区,其中有300多枚被发现,更多的炸弹可能还在北美地区没有被发现。1945年,其中一枚炸弹在美国俄勒冈州爆炸,5个孩子和1个母亲在这场灾难中丧生。这也是整个二战期间美国本土唯一的一例平民伤亡事故。

急流获得国际认可

早在气球炸弹出现前的1931年,美军就推测急流可能存在。当时,美国飞行员威利·波斯特从加利福尼亚州伯班克飞往俄亥俄州克利夫兰,飞机在近10千米的高空飞行了3000多千米,仅用了7个小时。而在高度较低的地区,这种飞行用时通常超过12个小时。后续的气球炸弹袭击让美国更加确认,天空中的急流是真实存在的。学者将这个现象命名为急流。

急流是如何形成的

現在我们知道了急流的存在,那么它是如何形成的呢?原因可能很复杂。

我们知道,大气中的温度差异能够产生气压差,加上地球自转,这些因素会迫使空气绕着地球运动,空气流动起来就形成了风。而所谓的急流就是一条高度在8~12千米,速度可以达到320千米/时的自西向东的强风带,它的长度能够达到几千千米,宽度也有几百千米。

急流沿着冷热空气的边界流动。由于这些冷热空气的边界在冬季最为明显,因此在北半球和南半球的冬季,急流都是最强的。

地球自转是急流产生的重要原因。在南北纬30°和50°—60°附近的区域,是地球上温度变化最大的区域。两个地点之间的温差越大,风力也越大。因此,在南北纬30°和50°—60°附近的区域(即中纬度区域),也是地球上高层风力最强的区域。南北纬50°—60°区域是极地急流所在地,亚热带急流则位于北纬30°左右,急流高度在6.4~12.8千米间变化,最高时速可达442千米/时。

急流的实际出现不仅是地球自转产生的,还是许多变量之间相互作用的结果,例如高低压系统的位置、冷暖空气和季节变化。它们在地球上蜿蜒而行,在海拔、纬度的影响下发生偏转或高度上升,有时分裂形成漩涡,有时甚至完全消失,过段时间又出现在其他地方。

急流也会随太阳高度的变化而变化。在春天,太阳高度每天增加,急流的平均纬度也逐渐向极地移动;到了夏天,北半球的急流通常出现在美国和加拿大边境附近;随着秋天临近,太阳的高度逐渐降低,急流的平均纬度也向赤道移动。

这条空中高速有急流加成

了解了急流的成因,你是不是还觉得对它不太熟悉?其实,急流在飞行旅程中发挥的作用我们并不陌生。

如果你曾留意过长途国际航班,就会发现,飞机往返两地所需的时间一般不同,距离越远,这种情况就越明显。以北京和伦敦为例,北京飞往伦敦的直达航班,从北京起飞后向西飞行,旅程时间约为10小时55分,而从伦敦飞回北京的时间只需要9小时45分。

为什么同样的距离,往返时间会相差这么多?为什么所有自东向西的飞行需要的时间都比自西向东的飞行时间长?有人曾提出疑问:飞行时间不同和地球自转方向有关系吗?

还真没什么关系。飞机在天上飞行时,并没有摆脱地球引力,仍在地球的惯性参照系内,所以不会受到地球自转方向的影响。不然,飞机不用飞,在天空中悬停一天,就能环绕地球一周了。不过,地球自转虽然没有直接影响飞机的飞行速度(地转偏向力的直接影响较小),但地球自转带来的另一个变化,成了影响飞行时间的主要因素,那就是急流。

为了方便理解这个问题,我们先来了解两个概念——空速和地速。飞机在空中飞行,具有一个相对于大气的移动速度,这一速度也被称为空速。对应的,飞机相对于地面的速度就是地速。为了保证在大气层中平稳飞行,飞机需要保持稳定的空速,而此时的地速就相当于空速和风速的叠加。因此,顺风时飞机地速会加快,逆风时地速则减慢。

大西洋“空中高速”所在的中纬度急流中心,位于200百帕等压面的平流层中,这里风向水平,相对不容易颠簸,成为大部分民航飞机飞行的高度。中纬度地区平流层常年刮着稳定的西风。前面提到,顺风飞行地速更高,在此区域的飞机顺着西风方向自西往东飞,自然飞得更快,也就节省了更多时间。

以纽约和伦敦为例,如果不考虑往返航线的差别,就按照相同的距离8175千米计算,顺风飞行的时间约为6.4小时,返程则需要7.5小时,相差1个多小时。飞行时间越短,飞机的油耗也就越少。按照波音777客机每小时耗油量约9千升计算,顺风飞行的飞机可以节约超万升航油,每升航油按0.5美元计算,每趟航班就可以节约5000多美元,这确实不是一笔小数目。

不难发现,利用急流进行长途飞行,省时省钱又安全,有这样的优势,这条“空中高速”成为大西洋上空的必经之路,也就不稀奇了。

本文内容来自公众号“科学大院”,ID:kexuedayuan

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