這條天然高速為何成為飛機跨越大西洋的必經之路

黃宛寧　王帆

如果要跨國出遠門，相信飛機會成為大家首選的交通工具，但很少有人注意飛機是選擇哪條線路到達目的地的。下圖標的就是飛機穿越大西洋時必經的航線，但看完我們不免困惑，大西洋上空明明這么廣闊，為何所有飛機都要擠同一條“空中走廊”呢？

天空中的高速公路真實存在

大洋無邊，為何這么多飛機不“各飛一邊”？這還要從一位氣象學家的發現說起。

100多年前，英國飛行員約翰·阿爾科克和亞瑟·惠滕·布朗從紐芬蘭直飛愛爾蘭，創下了人類第一次不間飛越大西洋的紀錄。1919年的這次首航用時長達16小時，其間糟糕的視線、惡劣的天氣始終干擾著飛行，飛行員也沒有任何導航工具可以使用。快進一個世紀后，飛越大西洋已成為家常便飯，每天有超過1750架次的航班穿越大西洋到達歐洲。科技的進步顯然是促成這一變化的一個重要因素，但一位氣象學家的發現也起到了不可替代的作用。

日本氣象學家大石和三郎在天空中發現了一條“高速公路”，這條路能使飛機以更快的速度和更大的運量出行。

1923—1925年間，大石和三郎通過釋放氣象氣球，跟蹤它們的位置和速度，對他說的高空氣流進行了近1300次觀測，得到了全新發現。不幸的是，當時成果是用世界語（1887年發明創立的一種語言，旨在消除人類國際交往的語言溝通障礙）發表的，他的發現并沒有引起太多注意。當時的大多數人也不知道天空中“河流”（后被稱為“急流”）的存在。

在對高空氣流一系列的觀測實驗中，大石和三郎觀察到，氣象氣球在到達約萬米高空處，會進入一個風速極快的區域。氣象氣球在此區域內能夠以高達300千米/時的速度飛行，只需要3天左右時間就能從日本到達美國本土。

日本曾在第二次世界大戰末期，利用這些高空區域的風釋放了數千個綁著炸彈的氫氣球，企圖轟炸美國本土。按照計劃，氣球炸彈升空后，必須一直保持在10 058米的高度。因為只有這個高度，才能借助東去的氣流。他們設計了一種由高度計驅動的自動控制系統，用于丟棄氣球的壓載物或排放氫氣。當氣球高度低于10 058米時，壓載沙袋就會自動脫落，使氣球升高;當氣球高度高于10 058米時，氣球氣囊的閥門便會自動排出氫氣，使氣球下降。

在大約9000枚炸彈中，預計約有1/10的炸彈到達了北美地區，其中有300多枚被發現，更多的炸彈可能還在北美地區沒有被發現。1945年，其中一枚炸彈在美國俄勒岡州爆炸，5個孩子和1個母親在這場災難中喪生。這也是整個二戰期間美國本土唯一的一例平民傷亡事故。

急流獲得國際認可

早在氣球炸彈出現前的1931年，美軍就推測急流可能存在。當時，美國飛行員威利·波斯特從加利福尼亞州伯班克飛往俄亥俄州克利夫蘭，飛機在近10千米的高空飛行了3000多千米，僅用了7個小時。而在高度較低的地區，這種飛行用時通常超過12個小時。后續的氣球炸彈襲擊讓美國更加確認，天空中的急流是真實存在的。學者將這個現象命名為急流。

急流是如何形成的

現在我們知道了急流的存在，那么它是如何形成的呢？原因可能很復雜。

我們知道，大氣中的溫度差異能夠產生氣壓差，加上地球自轉，這些因素會迫使空氣繞著地球運動，空氣流動起來就形成了風。而所謂的急流就是一條高度在8～12千米，速度可以達到320千米/時的自西向東的強風帶，它的長度能夠達到幾千千米，寬度也有幾百千米。

急流沿著冷熱空氣的邊界流動。由于這些冷熱空氣的邊界在冬季最為明顯，因此在北半球和南半球的冬季，急流都是最強的。

地球自轉是急流產生的重要原因。在南北緯30°和50°—60°附近的區域，是地球上溫度變化最大的區域。兩個地點之間的溫差越大，風力也越大。因此，在南北緯30°和50°—60°附近的區域（即中緯度區域），也是地球上高層風力最強的區域。南北緯50°—60°區域是極地急流所在地，亞熱帶急流則位于北緯30°左右，急流高度在6.4～12.8千米間變化，最高時速可達442千米/時。

急流的實際出現不僅是地球自轉產生的，還是許多變量之間相互作用的結果，例如高低壓系統的位置、冷暖空氣和季節變化。它們在地球上蜿蜒而行，在海拔、緯度的影響下發生偏轉或高度上升，有時分裂形成漩渦，有時甚至完全消失，過段時間又出現在其他地方。

急流也會隨太陽高度的變化而變化。在春天，太陽高度每天增加，急流的平均緯度也逐漸向極地移動;到了夏天，北半球的急流通常出現在美國和加拿大邊境附近;隨著秋天臨近，太陽的高度逐漸降低，急流的平均緯度也向赤道移動。

這條空中高速有急流加成

了解了急流的成因，你是不是還覺得對它不太熟悉？其實，急流在飛行旅程中發揮的作用我們并不陌生。

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

為什么同樣的距離，往返時間會相差這么多？為什么所有自東向西的飛行需要的時間都比自西向東的飛行時間長？有人曾提出疑問：飛行時間不同和地球自轉方向有關系嗎？

還真沒什么關系。飛機在天上飛行時，并沒有擺脫地球引力，仍在地球的慣性參照系內，所以不會受到地球自轉方向的影響。不然，飛機不用飛，在天空中懸停一天，就能環繞地球一周了。不過，地球自轉雖然沒有直接影響飛機的飛行速度（地轉偏向力的直接影響較小），但地球自轉帶來的另一個變化，成了影響飛行時間的主要因素，那就是急流。

為了方便理解這個問題，我們先來了解兩個概念——空速和地速。飛機在空中飛行，具有一個相對于大氣的移動速度，這一速度也被稱為空速。對應的，飛機相對于地面的速度就是地速。為了保證在大氣層中平穩飛行，飛機需要保持穩定的空速，而此時的地速就相當于空速和風速的疊加。因此，順風時飛機地速會加快，逆風時地速則減慢。

大西洋“空中高速”所在的中緯度急流中心，位于200百帕等壓面的平流層中，這里風向水平，相對不容易顛簸，成為大部分民航飛機飛行的高度。中緯度地區平流層常年刮著穩定的西風。前面提到，順風飛行地速更高，在此區域的飛機順著西風方向自西往東飛，自然飛得更快，也就節省了更多時間。

以紐約和倫敦為例，如果不考慮往返航線的差別，就按照相同的距離8175千米計算，順風飛行的時間約為6.4小時，返程則需要7.5小時，相差1個多小時。飛行時間越短，飛機的油耗也就越少。按照波音777客機每小時耗油量約9千升計算，順風飛行的飛機可以節約超萬升航油，每升航油按0.5美元計算，每趟航班就可以節約5000多美元，這確實不是一筆小數目。

不難發現，利用急流進行長途飛行，省時省錢又安全，有這樣的優勢，這條“空中高速”成為大西洋上空的必經之路，也就不稀奇了。

本文內容來自公眾號“科學大院”，ID：kexuedayuan

科學大院

科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。