这条天然高速为何成为飞机跨越大西洋的必经之路
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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