Струйные течения, основные ветры, которые текут в атмосфере с запада на восток, можно объяснить по аналогии с вращением фигуристов на льду. В самом деле, эти два явления объединяет замечательное свойство быстрых вращательных движений: неизменность углового момента. Тем не менее из-за трения о землю в пограничном слое атмосферы и отбора энергии за счет турбулентности скорости этих ветров значительно ниже значений, выводимых из этого свойства инвариантности.

1. От фигурного катания до реактивных течений

Благодаря достижениям в аэронавтике все чаще наблюдаемые и измеряемые в течение 20-го века струйные течения долгое время были настоящей загадкой для метеорологов: почему эти ветры вращаются вокруг планеты с запада на восток, как и сама Земля, образуя четыре кольца над землей? вращение? Это может показаться парадоксальным, поскольку подразумевает, что эти ветры вращаются быстрее, чем планета. Рисунок 1, уже представленный в другой статье этой энциклопедии (читай Атмосферная циркуляция: ее организация ), схематически изображает их мгновенные положения и нестабильность. Цель этой статьи — дать объяснение, основанное на сильном свойстве, которое характеризует вращающиеся механические системы: сохранение углового моментакогда трение пренебрежимо мало. Заинтересованные читатели могут найти обоснование этого свойства в классических текстах или курсах [1] (читайте Законы динамики ). В этой статье ограничимся напоминанием об этом свойстве инвариантности, его интерпретацией и оценкой его следствий для струйных течений .

Рисунок 1. Типичная картина струйного течения вокруг земного шара, движущегося с запада на восток по обе стороны от ячейки Феррела (желтый цвет). Полярный поток (синий цвет) самый быстрый (его скорость может достигать 300 км/ч) и самый неустойчивый из двух. Его избегают трансатлантические рейсы на запад и, наоборот, ищут рейсы на восток. Скорость субтропического струйного течения никогда не превышает 100 км/ч. [© НОАА]

Как проявляется это свойство инвариантности? Известным примером для его интерпретации и понимания является очень быстрое вращение фигуристов на льду , когда они напрягают все свое тело вокруг своей вертикальной оси (рис. 2). Прежде всего, чтобы начать поворот, они крепко опираются на одну из своих сильно согнутых ног, при этом держа другую ногу и руки как можно дальше друг от друга. Они используют свой импульс и максимально большой средний радиус r 1 (r 1 ≈ 0,8 м) для приобретения определенной угловой скорости ω 1   и начального углового момента  [2] mω 1 (r 1 ) 2 , где mобозначает массу конькобежца, которая останется неизменной. Как только это сделано, они быстро подтягивают раздвинутые конечности, как показано на рисунке 2, уменьшая их средний радиус до значения r 2 , намного меньшего, чем r 1 , скажем, r 2 ≃ 0,3 м. Для сохранения кинетического момента конькобежца это уменьшение радиуса должно быть компенсировано увеличением угловой скорости , которая становится. Таким образом, фигурист, способный изначально стартовать со скоростью 2 круга в секунду, успевает повернуть со скоростью, близкой к 2 х 7 = 14 кругов в секунду, достаточной для того, чтобы у зрителей сложилось его размытое изображение. Однако, если трение воздуха низкое, трение конька об лед высокое и быстро замедляет и останавливает вращение конькобежца.

Как мы увидим, это свойство инвариантности лежит в основе важных атмосферных явлений, в том числе струйных течений , предмета этой статьи. Многие другие явления, наблюдаемые на планетах (кольцо Сатурна), в звездах (концентрация солнечного ветра по направлению к 70° солнечной широты) и в галактиках (аккреционные диски), также могут быть интерпретированы с использованием этого свойства инвариантности.

2. Субтропическое струйное течение

Выделим мыслью воздушную пачку, подверженную господству экваториальной области, комментируемую в статье Ключевая роль пассатов . Он отрывается от земли с абсолютной горизонтальной скоростью , близкой к земной, т. е. 1600 км/ч, и поднимается на предельную высоту тропосферы, близкую к 15 км на этой широте. Абсолютная скорость V a   относится к скорости, при которой наблюдатель будет виден далеко в космосе и не вращается вместе с Землей; напротив, относительная скорость V r — это скорость, которую видит солидарный с Землей наблюдатель. Затем воздушный пакет попадает в одну из ячеек Хэдли (читайте « Атмосферная циркуляция: ее организация» ).). В этой вращающейся системе ее путь обязательно отмечен сохранением момента импульса [3] (читайте Законы динамики ).

Инвариантность углового момента этого воздушного пакета сводится к инвариантности произведения V a r  , так как масса m также должна быть неизменной. Однако абсолютная скорость V a  представляет собой сумму скорости движения планеты, которую можно записать как Ωr , обозначив через Ω угловую скорость Земли и относительную скорость V r воздушного пакета относительно Земли. Таким образом, инвариантная величина в этой вращающейся системе равна: V a r = (Ωr + V r )r. Вблизи экватора и на малых высотах (нулевая широта и нулевая относительная скорость) ΩR2  , обозначив R как радиус Земли, которая считается сферической. В верхней части тропосферы, на высоте близкой к 15 км, еще на расстоянии от соседней оси R ≈ 6400 км , можно предположить, что она имеет то же значение  ΩR 2 , что и на уровне земли.

В верхней части ячейки Хэдли вслед за течением в южной плоскости широта θ увеличивается до значений, близких к ±30°, а расстояние до оси становится равным r=Rcosθ (см. рис. 3). Тогда сохранение углового момента приводит к соотношению (ΩR cosθ+V r )R cosθ = ΩR 2 , т.е. V r = ΩR(1-cos 2 θ)/cosθ . На широте экватора (θ=0 ) он приводит в движение воздушный поток с относительной нулевой скоростью, что означает, что воздух вращается с той же скоростью, что и твердая планета. Но на широте θ=30° , характерной для тропического струйного течения, это соотношение приводит к V r ≃ 0,29 ΩR≃ 460 км / ч, что означает, что воздух должен тогда вращаться быстрее, чем твердая планета. Это значение значительно превышает реальную скорость этого ветра, которая всегда меньше 100 км/ч; но вполне понятно, что потери кинетического момента из-за трения и турбулентности достаточны, чтобы свести это предсказание к реалистическому значению. Эти потери являются атмосферным эквивалентом торможения конькобежцев.

3. Мощное полярное струйное течение

Это, безусловно, самый быстрый из двух, поскольку он развивает скорость около 300 км / ч; это также то, о чем мы говорим, когда говорим о струйном течении в единственном числе. Его средняя широта на пересечении ячейки Ферреля и полярной ячейки (читай Атмосферная циркуляция: ее организация ) близка к ±70°. Если бы мы применили соотношение, показанное выше, с cos θ = 1/2 , мы бы нашли относительную скорость V r≃ 2400 км/ч. Эта оценка совершенно не оправдана, так как воздушные пакеты, достигающие вершины тропосферы на этой широте, не приходят из близэкватора. Тем не менее, он иллюстрирует огромный потенциал увеличения относительной скорости, связанный с уменьшением расстояния до оси Земли, когда широта становится достаточно большой.

Было понятно, что воздушные пакеты, прибывающие в верхнюю часть тропосферы на широтах, близких к ± 70 °, исходят либо из ячейки Ферреля, либо из полярных областей. Первые прошли у земли, в пограничном слое атмосферы, где велико трение. Если бы они сохранили угловую скорость планеты Ω, их угловой момент был бы близок к 3ΩR 2 /4  , когда они отрываются от земли. Если бы они достигли вершины тропосферы без значительного рассеяния энергии, та же формула привела бы к относительной скорости V r ≃ 1600 км/ч. Как с тропическим струйным течением, поэтому необходимо учитывать трение, чтобы получить реалистичный порядок величины, близкий к 300 км/ч. Что касается воздуха, подаваемого полярной ячейкой, то, поскольку он поступает из окрестности полюсов, где расстояние до оси очень мало, он не дает такого большого кинетического момента, как воздух, подаваемый ячейкой Ферреля. Его влияние заключается главным образом в расположении полярной зоны конвергенции на широте, близкой к ±70°, между ячейкой Ферреля, где воздух течет на север у земли, и полярной ячейкой, где он течет на юг.

4. Сильно замедленные течения

Можно задаться вопросом, почему эти потоки остаются настолько медленнее, чем предсказания, выведенные из закона сохранения углового момента, и почему они несут такие значительные потери энергии, делящие примерно на 5 скорость каждого струйного потока. В случае субтропической струи эти потери не могут происходить непосредственно от вязкого трения, которым в верхней части ячейки Хэдли можно пренебречь. Он расположен на высоте около 15 км, что намного превышает толщину атмосферного пограничного слоя , составляющую порядка нескольких сотен метров. Ответ довольно прост: эти потери происходят от интенсивного турбулентного волнения в восходящем потоке внутритропической зоны конвергенции.(ICTZ), нарушенные крайне неустойчивыми и изменчивыми конвективными движениями тропических регионов. Они возникают на границе между теплым воздухом над континентами в течение дня и холодным воздухом над океанами. Очень легкие потоки теплого воздуха поднимаются вверх; спускаются более тяжелые холодные потоки; вместе они создают и поддерживают большие ячейки с сильным конвекционным движением, очень турбулентным и часто бурным. Именно эта турбулентность забирает большую часть кинетической энергии от основного движения и рассеивает ее в тепло за счет вязкости, тем самым замедляя восходящий поток, который теряет часть своего начального углового момента. Это следствие « депрессивного состояния » тропических регионов (читайте Ключевую роль пассатов ).

В примере с фигуристом трение об лед снижает его вращение за несколько секунд, позволяя зрителям увидеть затухание после нескольких кругов на высокой скорости. Механизм, тормозящий полярную струю , питаемую воздухом, циркулирующим вблизи земли в ячейке Ферреля или в полярной ячейке, аналогичен. Именно вязкое трение, усиленное локальной турбулентностью в пограничном слое атмосферы у земли, уменьшает начальный кинетический момент восходящих пакетов воздуха вверх по тропосфере на широте, где сходятся ячейки Ферреля и полярная ячейка.

 

Как видно из рисунка 1, сами струйные течения далеки от регулярных и стационарных ветров. Они подвержены неустойчивости, возбуждаемой периодическими пульсациями, которым подвергается тропосфера. На Рисунке 4 показано, что сезонные колебания смещают Межтропическую зону конвергенции ( ITCZ ) на север летом и на юг зимой (см . «Ключевая роль пассатов»).). Этому волнению способствует и чередование континентов, над которыми воздух относительно сух, и океанов, над которыми он, наоборот, насыщен влагой. Наконец, днем ​​воздух, поднимающийся от земли, теплее и, следовательно, легче, чем воздух, остывший, отягощенный и стабилизировавшийся за ночь. Эти различия в температуре и влажности вызывают изменения плотности, что приводит к очень турбулентным конвективным образованиям. Каждый из этих трех механизмов имеет свои особенности, но вместе они подпитывают нестабильность и турбулентность струйных течений , что способствует уменьшению их средней скорости до значений примерно в 5 раз ниже, чем предсказания, полученные из инвариантности углового  момента .

 

Эти примеры конькобежца и струйных течений иллюстрируют замечательные последствия сохранения углового момента в относительно быстро вращающихся механических системах. Трение о землю и воздух, а также турбулентное перемешивание, безусловно, являются антагонистическими механизмами. Тем не менее остается верным, что это свойство инвариантности лежит в основе важных атмосферных явлений, учитываемых при управлении трансконтинентальными коммерческими рейсами. Таким образом, для снижения расхода топлива рейсы из Европы в США обходят полярное струйное течение с севера, а обратные рейсы размещают в этом струйном течении.