如果要跨國出遠門，相信飛機會(hui) 成為(wei) 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……

（圖片來源：https://cheddar.com）

圖上標的就是飛機穿越大西洋時必經的航線，但看完我們(men) 不免困惑，大西洋上空明明這麽(me) 廣闊，為(wei) 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(wei) 何這麽(me) 多飛機不“各飛一邊”？這還要從(cong) 一位氣象學家的發現說起。

100多年前，飛行員約翰·阿爾科克和亞(ya) 瑟·惠滕·布朗從(cong) 紐芬蘭(lan) 直飛愛爾蘭(lan) ，完成了第一次跨大西洋飛行。1919年的這次首航長達16小時，期間糟糕的視線、惡劣的天氣始終幹擾著飛行，飛行員也沒有任何導航工具可以使用。快進一個(ge) 世紀後，飛越大西洋已成為(wei) 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(ge) 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Wasaburo Ooishi（荒川秀俊）在天空中發現了一條“高速公路”，這條路能夠使飛機以更快的速度和更大的運量出行。

荒川秀俊博士（圖片來源：https://blog.sciencenet.cn）

在1923年到1925年間，荒川秀俊通過發射氣象氣球，跟蹤它們(men) 的位置和速度，對他所說的高空氣流進行了近1300次觀測，得到了新的發現。不幸的是，由於(yu) 成果是用世界語（1887年發明創立的一種人造語言，旨在消除人類國際交往語言溝通障礙）發表的，他的發現並沒有被世界所注意，當時大多數人並不知道天空中“河流”（後來被稱為(wei) 急流，jet stream）的存在。

從(cong) 日本到美國的急流路徑

（圖片來源：https://blog.sciencenet.cn）

在對高空氣流一係列的觀測實驗中，荒川秀俊觀察到氣象氣球在到達約萬(wan) 米高空處，會(hui) 進入一個(ge) 風速極快的區域。氣象氣球在此區域內(nei) 能夠以高達300公裏每小時的速度飛行，隻需3天左右時間就能到達美國本土。

氣球炸彈的飛行路線

（圖片來源：https://blog.sciencenet.cn）

氣球炸彈（ 圖片來源：Wikipedia）

高度控製係統 （圖片來源：

https://www.wemedia.co.in/article/wm/

d7939130ffb411eab85d238a8fe7c6b）

日本在第二次世界大戰末期間曾利用這些高空風發射了數千個(ge) 綁著炸彈的氫氣球，企圖轟炸美國本土。按照計劃，氣球炸彈升空後，必須一直保持在10058米的高度。因為(wei) 隻有這個(ge) 高度，才能借助東(dong) 去的氣流。荒川秀俊設計了一種由高度計驅動的自動控製係統，用於(yu) 丟(diu) 棄壓載物或排放氫氣。當氣球高度低於(yu) 10058米時，沙袋就會(hui) 自動脫落，使氣球升高；當氣球高度高於(yu) 10058米時，氣球氣囊的閥門便會(hui) 自動排出氫氣，使高度下降。

氣球炸彈在北美的"彈著點"分布

（圖片來源：https://mankatotimes.com）

在大約9000枚炸彈中，預計有十分之一的炸彈到達了北美地區，其中有300多枚被發現，更多的炸彈可能在北美還沒有被發現。1945年，其中一枚炸彈在俄勒岡(gang) 州布萊市炸死了6人，包括5個(ge) 孩子和一位牧師懷孕的妻子。當時其中一名受害者在不知情的情況下撿起了其中一枚爆炸物，引發了這場災難，也就是“布萊爆炸案”。

急流獲得國際認可

早在布萊爆炸案發生前的1931年，美軍(jun) 就推測急流可能存在。

當時飛行員威利·波斯特從(cong) 加利福尼亞(ya) 州伯班克飛往俄亥俄州克利夫蘭(lan) ，飛機在3萬(wan) 英尺高空飛行了2000多英裏，僅(jin) 用了7個(ge) 小時。而在較低的海拔地區，這種飛行通常需要12個(ge) 多小時。後續的布萊爆炸案讓美國更加確認天空中的“河流”是真實存在的，學者將這個(ge) 現象命名為(wei) 急流（jet stream）。

急流是如何形成的呢？

現在我們(men) 知道了急流的存在，那麽(me) 它是如何形成的呢？原因可能很複雜。我們(men) 知道大氣中的溫度差異能夠產(chan) 生氣壓差，加上地球自轉，這些因素會(hui) 迫使空氣繞著地球運動，空氣流動起來就形成了風。

而所謂的急流就是高度在8-12km之間，速度可以達到320km每小時的一條自西向東(dong) 的強風帶。長度可以有幾千公裏，寬度幾百公裏。急流沿著冷熱空氣的邊界流動，由於(yu) 這些冷熱空氣邊界在冬季最為(wei) 明顯，因此在北半球和南半球的冬季，急流都是最強的。

顯示急流和對流層頂高度的北半球橫截麵

（圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet）

地球的自轉是急流產(chan) 生的重要原因，我們(men) 可以看到地球自轉把這個(ge) 環流分成了上圖所示的三個(ge) 單元。30°N/S和50°-60°N/S附近的區域是溫度變化最大的區域。兩(liang) 個(ge) 地點之間的溫差越大，風力也越大。因此，30°N/S和50°-60°N/S附近的區域（即中緯度區域）也是高層風力最強的區域。

50°-60°N/S區域是極地急流所在地，而亞(ya) 熱帶急流位於(yu) 30°N左右。急流高度變化為(wei) 6.4到12.8公裏，最高速度可達442公裏/小時。

急流出現在北半球和南半球（圖片來源：https://www.weather.gov/jetstream/jet）

急流的實際出現不僅(jin) 是地球自轉產(chan) 生的，還是許多變量之間相互作用的結果，例如高低壓係統的位置、冷暖空氣和季節變化。它們(men) 在地球上蜿蜒而行，在海拔/緯度上傾(qing) 斜和上升，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。

急流動態變化示意圖

（圖片來源：https://quiwho.com/2020/10/）

急流也會(hui) “跟隨太陽”高度而變化，在春天，隨著太陽高度的每天增加，急流的平均緯度向極地移動。到了夏天，北半球的急流通常出現在美加邊境附近。隨著秋天的臨(lin) 近，太陽的高度降低，急流的平均緯度向赤道移動。

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？不過急流在飛行旅程中發揮的作用大家卻並不陌生。

如果你曾留意過長途國際航班，你會(hui) 發現，飛機往返兩(liang) 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(lun) 敦為(wei) 例，北京飛往倫(lun) 敦的直達航班，從(cong) 北京起飛後向西方飛行，旅程時間需要10小時55分，而從(cong) 倫(lun) 敦飛回北京的時間隻需9小時45分。

為(wei) 什麽(me) 同樣的距離往返時間會(hui) 相差這麽(me) 多？而且為(wei) 何所有的自東(dong) 向西的飛行需要的時間都比自西向東(dong) 的時間要長？有人曾提出疑問：飛行時間不同和地球自轉方向有關(guan) 係嗎？

還真沒啥關(guan) 係！飛機在天上飛時，並沒有擺脫地球引力，仍在地球慣性係內(nei) ，所以不會(hui) 受到地球自轉方向的影響。不然，飛機不用飛，在天空中懸停1天，就能環繞地球一周了。不過，地球自轉雖然沒有直接影響到飛機的飛行速度（科氏力的直接影響較小），但地球自轉帶來的另一個(ge) 變化，卻成為(wei) 了影響飛機飛行速度的主要因素，那就是急流。

為(wei) 了方便理解這個(ge) 問題，我們(men) 先來了解兩(liang) 個(ge) 概念——空速和地速。飛機在空中飛行，具有一個(ge) 相對於(yu) 大氣的移動速度，這一速度也被稱之為(wei) 空速。對應的，飛機相對於(yu) 地麵的速度就是地速。為(wei) 了保證飛機在大氣層中平穩飛行，飛機需要保持穩定的空速。因此，此時的地速就相當於(yu) 空速和風速的疊加。因此順風時飛機地速會(hui) 更高，逆風時地速更低。

借助超強西風跨大西洋向東(dong) 飛行的航班（圖片來源：https://spaceweatherarchive.com/2020/02/11/surfing-the-jet-stream-reduces-aviation-radiation/）

大西洋“空中高速”所在的中緯度急流中心，位於(yu) 200hPa氣壓麵的平流層中，這裏風向水平，飛機相對不顛簸，成為(wei) 大部分民航飛機飛行所在的高度。中緯度地區平流層常年刮著穩定的西風，前麵提到，順風飛行地速高，在此區域的飛機順著西風方向從(cong) 西往東(dong) 飛，飛得更快，也能夠節省更多時間。

2007年平均的200hPa風場（矢量）和風速（填色）

(圖片來源：美國國家環境預測中心)

以紐約和倫(lun) 敦為(wei) 例，如果不考慮往返航線的差別，按照相同的距離8175km計算，順風飛行時間約為(wei) 6.4小時，而返程則需7.5小時，相差1個(ge) 多小時。時間越短，燃料使用也越少。按照波音777客機每小時耗油量2700加侖(lun) 計算，順風飛行飛機可以節約5400加侖(lun) 航油，每加侖(lun) 按照1.89美元計算，則每趟航班可以節約5613美元，這確實不是一筆小數目。

不難發現，利用急流來進行長途飛行，省時省錢，又安全，有這樣的優(you) 勢加成，大西洋上的“空中高速”能成為(wei) 必經之路也就不稀奇啦！

參考文獻：

[1] Why All Planes Take This Overcrowded Path Across the Atlantic Ocean.[EB/OL].(2021-1-19)[2021-2-23].

https://cheddar.com/media/cheddar-explains-planes-jet-stream-atlantic-travel

[2] 發明第一種洲際武器竟是日本，炸彈漂洋過海卻被嘲史上最奇葩.[EB/OL](2018-6-10)[2021-2-22].

https://blog.sciencenet.cn/blog-2966991-1118346.html

[3] The Jet Stream.[EB/OL][2021-2-22] .

https://www.weather.gov/jetstream/jet

[4] https://www.ncep.noaa.gov/

本文由科普中國融合創作出品，中國科學院空天信息創新研究院黃宛寧，王帆製作，中國科學院計算機網絡信息中心監製，“科普中國”是中國科協攜同社會(hui) 各方利用信息化手段開展科學傳(chuan) 播的科學權威品牌。

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