روبادها (JET STREAMS)
هواشناسان با تعیین موقعیت جت استریم ها می توانند وضعیت جوی را پیش بینی کنند، هواشناسان از میزان رطوبت نسبی موجود در هوا برای تعیین موقعیت جت استریم ها استفاده می کنند.
طرح کلی روباد های قطبی و جنب حاره بر فراز نیمکره شمالی.
خصوصیات کلی جت استریم ها (General Characteristics)
جت استریم در واقع یک جریان باریک از هواست که به شکل نوار باریکی در اطراف نیمکره شمالی و جنوبی کره زمین به شکل موجی در حال حرکت است. نیمکره شمالی و جنوبی هر یک جت استریم های قطبی و استوایی خاص خود را دارد، اما واژه جت استریم بیشتر برای جت استریم قطبی نیمکره شمالی کاربرد دارد چرا که این نوع از جت استریم، نواحی وسیعی از آمریکای شمالی، اروپا و آسیا را تحت تاثیر قرار می دهد. این در حالی است که رودباد یا جت استریم قطبی نیمکره جنوبی بیشتر قطب جنوب را تحت تاثیر قرار می دهد.
تعیین محل دقیق جت استریم ها برای پیش بینی وضع هوا ضروری است. عرض رودبادها از ۱۶۱ تا ۶۴۴ کیلومتر و ضخامت آن بین ۱٫۶ تا ۴٫۸ کیلومتر متغیر است. پرقدرت ترین بادهای جت استریم معمولا در ارتفاعات ۹۱۴۴ متری از سطح زمین ردیابی شده است. سرعت چنین بادهایی بیشتر بین ۲۴۱ تا ۴۸۲ کیلومتر در ساعت است. جهت حرکت جت استریم از غرب به شرق است. البته نوع دیگری از جت استریم وجود دارد که از آن به عنوان جت استریم شرقی یاد می شود و در طول تابستان رخ می دهد. این نوع خاص از رودباد از بخش فوقانی تروپوسفر سرچشمه می گیرد و تا غربی ترین بخش قاره آفریقا یعنی حدود ۱۰ هزار کیلومتر گسترش پیدا می کند.
نیمرخ عمودی استوا تا قطب، میانگین موقعیت ۲ جت استریم، همرفت I.T.C.Z و ابرهای در امتداد جبهه قطبی را نشان می دهد.
میانگین بادهای مداری ژانویه – دسامبر ۲۰۰۹ تا ۱۹۷۹؛ حداکثر سرعت باد در تروپوسفر فوقانی نشان دهنده نرمال موقعیت های جت استریم ها می باشد.
جت استریم معمولی که تغییراتش بشدت آب و هوای نیمکره شمالی را تحت تاثیر قرار داده، مدام موقعیت خود را تغییر می دهد. در حقیقت می توان چنین گفت که تغییر فصل باعث تغییر موضع آن می شود. به عنوان مثال در کشور آمریکا در پاره ای از اوقات ۲ جریان مجزا، کشور را تحت پوشش تاثیرات خود قرار می دهد، یکی از این جریانات مرزهای شمالی و دیگری مرزهای جنوبی را درمی نوردد و اثرات کاملا متفاوتی را در پی خواهد داشت.
هواشناسان برای تعیین میزان بخار آبی که در لایه های فوقانی اتمسفر وجود دارد در ماهواره ها از سنسورهای مادون قرمز استفاده می کنند.
جت استریم های تراز فوقانی
گردش جت استریم قطبی و جنب حاره به صورت یک الگوی موج مانند در سراسر جهان می باشد. آنها به طرف مناطق استوایی و عرض های قطبی حرکت می کنند، و لو اینکه میانگین نرمال موقعیت های آنها عرض های منطقه معتدله باشد.
چرا جت استریم قطبی و جنب حاره از غرب به شرق جریان دارند؟ در مقیاس جهانی، مازاد گرما در مناطق استوایی سبب ایجاد گرادیان های دمایی جنوب به شمال در تراز فوقانی شده که باعث تشکیل پرفشار تراز فوقانی در استوا می شود. در نتیجه نیروی گرادیان فشار، سبب جریان هوا از استوا به سمت قطب ها شده که به سبب وجود نیروی انحرافی کوریولیس به سمت شرق منحرف می شوند. از این رو بادها در تروپوسفر فوقانی در عرض های معتدله غربی ست.
رابطه شماتیک ناهمگنی گرمای تروپوسفر منتج به گرادیان فشار سطح فوقانی، انحراف به سبب نیروی کوریولیس و بادهای غربی فوقانی عرض های معتدله.
جت استریم قطبی (Polar Jet Sream): روباد قطبی در عرض های ۳۰ تا ۷۰ درجه و بین سطوح فشاری ۳۰۰ و ۲۰۰ میلی بار یافت می شود (در حدود ۱۱ – ۷٫۵ کیلومتری بالای سطح دریا). روباد قطبی در طی زمستان مواقعی که گاهی اوقات به مناطق حاره ای انتقال یافته و با روباد جنب حاره ای ادغام می شود، قوی ترین خواهد بود.
راستای باد ۲۰۰ هکتوپاسکال و خطوط جریان هم سرعت در ۰۰ UTC مورخ ۱۵ اوت ۲۰۱۲٫ توجه کنید که روباد جنب حاره (حوالی ۲۰ درجه جنوبی) و روباد قطبی (حوالی ۶۰ درجه جنوبی) در نیمکره زمستان قوی تر هستند؛ بیشینه سرعت باد بیش از ۸۰ متر در ثانیه ست.
نیمرخ قائم میانگین دما (C۰) و باد مداری (ms-۱) در ۱۸۰ درجه طول شرقی در طی ژانویه (NCEP/NCAR Reanalysis 1981-2010)
جت جبهه قطبی در ناحیه گرادیان قوی دمایی بین هوای سرد قطبی و توده های هوای گرم تشکیل می گردد. گرادیان با ارتفاع افزایش می یابد چرا که ستون های هوای گرمتر حاوی انبساط تجمعی بیشتری نسبت به ستون های هوای سرد هستند. نتیجتا، اختلاف فشار در تروپوسفر فوقانی با ارتفاع افزایش یافته و سبب بادهای قوی می شود.
چرا جریان روباد در نزدیکی تروپوپاز می باشد؟ از آنجا که دما با افزایش ارتفاع به سوی تروپوپاز کاهش می یابد،که محدودیتی برای افزایش یافتن گرادیان فشاری و باد هاست. بنابر این روبادها در نزدیکی تروپوپاز واقع شده اند. پتانسیل برای ایجاد باد های قوی، هر جا که تضاد حرارتی وجود داشته باشد، در هوا وجود دارد، بنابر این روبادها معمولا با سیستم های جبهه ای فعال در عرض های میانه همراه هستند.
هسته های سرعت (Jet Streaks)
روباد جنب حاره از جریان هوا به سمت بالا و قطب سو، در سلول هدلی ناشی می شود. همانطور که بسته های هوا به عرض دایره ای کوچکتر حرکت می کنند، باید سرعت خود را به منظور حفظ تکانه زاویه ای افزایش دهند. توجه داشته باشید که سرعت معمول در روباد جنب حاره کمتر از محاسبه کاربردی معادله تکانه زاویه ای ست، چرا که جریان های پیچشی بزرگ مقیاس (large-scale eddies) (به عنوان مثال سایکلون ها) مقداری از تکانه سلول هدلی را به عرض های میانه انتقال داده و بسته های هوا بواسطه تلاطم کوچک، آهسته می شوند. انتقال انرژی جنبشی توسط جریان های پیچشی به برقراری روباد جنب حاره کمک می کند. جت در نزدیکی ناحیه حداکثر انتقال واقع شده است. مکانیسم های دیگر به تغییر پذیری روباد جنب حاره در سطح جهان کمک می کند، شامل: گرادیان شمال به جنوب در گرمایش میان تروپوسفری و حرکت موجی به دلیل رشته کوه های آسیای مرکزی.
جت استریم شرقی حاره (Tropical Easterly Jet)
روباد شرقی حاره ای (TEJ) یک مشخصه منحصر بفرد و غالب در تابستان نیمکره شمالی، سراسر آسیای جنوبی و شمال آفریقا ست. روباد شرقی حاره ای در لایه ۱۰۰ – ۲۰۰ هکتوپاسکال در نزدیکی عرض بین ۵ و ۲۰ درجه شمالی یافت می شود. بیشینه سرعت آن ۵۰ – ۴۰ متر بر ثانیه، حدود نصف حداکثر سرعت روباد جنب حاره و جت قطبی می باشد، تنها غرب هند جنوبی، سراسر دریای عرب و حوالی تراز ۱۵۰ هکتوپاسکال جریان دارد. شکل زیر متوسط دامنه و شدت جت را در ۲۰۰ هکتوپاسکال برای ژوئن تا اوت نشان می دهد. این جت استریم در موقعیت، راستا و شدت خود از ژوئن تا آغاز اکتبر نسبتا پایدار است.
جت استریم های تراز پائینی
جت سومالی (Somali Jet)
جت شرقی آفریقایی (African Easterly Jet)
جت شرقی آفریقایی (AEJ) ،یک بیشینه باد تراز پائین، یکی از مشخه های عمده سراسر آفریقای حاره ای شمالی و شرق اقیانوس اطلس مجاور در طول تابستان نیمکره شمالی ست.
مشخصه های عمده در مقیاس وسیع مونسون غرب آفریقا و اقیانوس اطلس حاره ای؛ طرح کلی از نیمرخ قائم جنوب به شمال در امتداد نصف النهار گرینویچ، سیستم کم فشار حرارتی – جت شرقی آفریقایی (AEJ)- منطقه همگرای (ITCZ) درون حاره، لایه هوای صحرای بزرگ (Saharan Air Layer = SAL) و نوسانات نصف النهاری در لایه مرزی جوی را مشخص می سازد(اقتباس از Parker et al. 2005).
(بالا) متوسط سرعت باد در تراز ۶۰۰ هکتوپاسکال برای ژوئیه تا سپتامبر در سراسر آفریقای حاره ای شمالی و اقیانوس اطلس حاره ای. (پایین) سطح مقطع امتداد مدار ۰ درجه، جریان موسمی جنوب غربی تراز پایین (سبز) و جت شرقی آفریقایی در سطوح میانی (بنفش) را نشان می دهد. بیشینه باد شرقی جت شرقی آفریقایی حوالی ۱۵۰ هکتوپاسکال بوده و باد های غربی قوی حوالی ۲۰۰ هکتوپاسکال در عرض ۲۰ درجه شمالی مربطو به روباد جنب حاره ای می باشد.
جت دارای بیشینه ای بین ۷۰۰ و ۶۰۰ هکتوپاسکال و بین ۱۳ و ۱۷ درجه عرض شمالی با سرعت باد ۱۰ تا ۲۵ m s-۱ ست. روباد شرقی آفریقایی از آپریل تا نوامبر نمایان بوده اما در طول موسمی غرب آفریقا، بین ماه های ژوئن و سپتامبر در قوی ترین حالت قرار می گیرد.
(بالا) میانگین ژوئیه تا سپتامبر (بالا) دمای سطحی (سایه دار C۰) و نم ویژه (پربندها، g kg -۱ ). (پایین)ارتفاع تراز فشار ۶۰۰ هکتوپاسکال (m) طی دوره ۲۰۰۹ – ۱۹۷۹. به گرادیان قوی بین صحرای بزرگ گرم و خشک و ناحیه جنوبی خنک تر و مرطوب توجه داشته باشید.
وجود این جت با برگشت قوی در گرادیان معمول نصف النهاری دمایی سراسر قاره آفریقا طی تابستان همراه است (معمولا گرمتر در استوا). صحرای بزرگ در شمال یک لایه هوای صحرایی خشک و غبار آلود ایجاد می کند که یک ناهنجاری فراز گرمایی، جانب شمال هوای خنک تر در نزدیکی استوا ست. شارش قوی شرقی زمینگرد، در پاسخ به دمای سطحی قابل توجه و گرادیان رطوبتی از خلیج گینه به صحرای بزرگ گسترش می یابد. سطح مقطع شمال به جنوب، نشان داده شده در بالا، تضاد دمایی و رطوبتی برجسته در تروپوسفر پائینی تا میانی را نشان می دهد. یک جت مشابه اما ضعیف تر از روباد شرقی آفریقایی، در نزدیکی تراز ۷۰۰ هکتوپاسکال در جنوب آفریقا طی سپتامبر تا اکتبر در پاسخ به گرمایش نواحی صحرایی جنوب غرب آفریقا گسترش می یابد.
کوهستان های شمال مرکزی آفریقا، بادهای شرقی تراز پایین را آشفته کرده و سبب افزایش سرعت بادها در باد پناه کوهستان ها می شود. این اثر مکانیکی توپوگرافی می تواند یک منبع انرژی برای کمک به برقراری روباد جت شرقی آفریقایی در فاصله دورتری در شمال ( ۲۰ – ۱۵ درجه عرض شمالی) ایجاد نماید.
چینش قوی عمودی ناشی از روباد شرقی آفریقایی و بادهای غربی تراز پایین مونسون می باشد. چینش عمودی باد به سازماندهی همرفت عمیق که در شمال و جنوب جت شرقی آفریقایی رایج است، کمک می نماید.
جت استریم و تلاطم (Jet Streams and Turbulence)
شکل گیری یک رودباد
زمانی که توده های هوای گرم در جنوب با توده های هوای سرد شمالی به هم برخورد می کند، درجه حرارت و فشار به سرعت کاهش می یابد. اساسا شما می توانید افت درجه حرارت و فشار را با یک تپه مقایسه کنید. هرچه شیب تپه بیشتر باشد شما سریع تر به پایین آن تپه می رسید و همه اینها به خاطر تفاوت معنادار شیب است.
در مورد سرعت باد، تفاوت فشار میان یک محدوده پرفشار و کم فشار می تواند بسیار زیاد باشد و به همین دلیل است که بادهایی با سرعت های بالا شکل می گیرد. تفاوت های فشار و درجه حرارت گاهی بسیار زیاد است و علت آن هم این که این روزها شدت گرمایش جهانی کاملا شرایط طبیعی را بر هم زده است. در فصل زمستان یعنی در زمان اوج جت استریم و در تابستان کاملا توازن بر هم خورده است.
با این که این تونل هوا بیشتر در ارتفاعات بالای ۲۰ هزار فوتی (مرز میان تروپوسفر و استراتوسفر) شکل می گیرد، اما تاثیرات این پدیده جوی می تواند الگوهای آب و هوا را کاملا تغییر دهد. خشکسالی های ویرانگر، سیلاب و توفان های مهیب از اثرات این پدیده است. اهمیت جت استریم بیشتر به این دلیل است که الگوهای جوی را در سطحی جهانی تحت تاثیر قرار می دهد و این مساله می تواند پیش بینی وضع هوا را با مشکلات عدیده ای مواجه کند. یک نمونه از تاثیرات مستقیم آن مشکلاتی است که بر سر راه سفرهای هوایی ایجاد خواهد شد. زمان های پرواز هواپیماها و میزان مصرف سوخت مستقیما از چنین پدیده هایی تاثیر خواهد پذیرفت.
کشف جت استریم
برای نخستین بار پدیده رودباد در دهه ۱۹۲۰ به وسیله واسابورو اوئیشی یک هواشناس ژاپنی کشف شد. وی که روی بالن های مخصوص هواشناسی کار می کرد به صورت اتفاقی این رود باد عظیم را شناسایی کرد. این بالن ها با پرواز بر فراز کوه فوجی بادهای سطوح فوقانی تر جو را مورد بررسی قرار دادند. تحقیقات این هواشناس باعث آگاهی از الگوهای چنین بادهایی شد، اما مساله مهم اینجا بود که تحقیقات وی در ژاپن سندیت داشت و هنوز در ابعاد جهانی نیاز به مطالعات بیشتر داشت. شناخت بیشتر از رودبادها سال۱۹۳۴ بدست آمد، زمانی که یک خلبان آمریکایی به نام ویلی پست تصمیم به پرواز تک نفره به دور کره زمین گرفت. این خلبان یک لباس مخصوص را برای خود طراحی کرد که به وی این امکان را می داد در ارتفاعات بسیار بالا پرواز کند.
نکته: مهم ترین اثرجت استریم در صنعت هواپیمایی است، چرا که پرواز در جهت موافق یا مخالف جت استریم ها می تواند بشدت بر سوددهی وزیان دهی صنایع هواپیمایی تاثیرگذار باشد
وی در خلال پروازهای خود متوجه تغییرات ناگهانی سرعت شد. این تغییرات ناگهانی حاکی از قرار گرفتن وی در یک جریان کاملا متفاوت از توده هوا بود. با این وجود تا سال ۱۹۳۹ طول کشید که چنین پدیده ای رسما مورد تائید کارشناسان و متخصصان جهانی قرار گیرد. سال ۱۹۳۹ یک هواشناس آلمانی به نام اچ. سیلکوف در یک مقاله علمی از عبارت جت استریم نام برد. بعدها در طول جنگ جهانی دوم خلبانانی که مسیر میان اروپا و آمریکای شمالی را طی می کردند، متوجه تغییرات فاحش سرعت باد شدند و همه اینها کم کم بر میزان اطلاعات هواشناسان و دانشمندان جهان افزود.
توصیف دلایل پدیده جت استریم
تحقیقات بیشتر خلبانان و هواشناسان نشان داد که دو جریان عمده جت استریم در نیمکره شمالی وجود دارد و در نیمکره جنوبی نیز این پدیده کماکان تاثیرگذار است به طوری که قوی ترین جت استریم های این نیمکره در عرض جغرافیایی بین ۳۰ درجه شمالی تا ۶۰ درجه شمالی به ثبت رسیده اند. ضعیف ترین رودبادی که در بخش های پایین استوا وجود دارد در نزدیکی عرض ۳۰ درجه شمالی گزارش شده است. موقعیت این نوع رودبادها در طول سال تغییر می کند و گفته می شود که آنها خورشید را دنبال می کنند چرا که با گرم شدن هوا از شمال و با سرد شدن هوا از جنوب حرکت کرده و تغییر موضع می دهند. لازم به ذکر است که جت استریم ها در فصل زمستان قوی تر است و علت آن هم تضاد میان هوای قطب شمال و استواست که در این زمان به اوج خود می رسد. در تابستان تفاوت درجه حرارت کمتر است بنابراین جت استریم ضعیف تر است. جت استریم ها معمولا مسافت های بسیار طولانی را پوشش می دهد. حتی گاه آنها جریانات پیوسته نیز نیستند یا در پاره ای از اوقات هم پیچ و تاب های زیادی در طول مسیر حرکتشان پیدا می کنند. جایی که پیچ و تاب در این قبیل تونل ها ایجاد شود، سرعت حرکت باد هم کندتر خواهد شد و چنین امواجی تحت عنوان «راسبی» خوانده می شود. علت کاهش سرعت، همان اثر کوریولیس و تغییر جهت باد به سمت غرب یعنی جهت مخالف حرکت است.
اهمیت جت استریم ها
مهم ترین اثر این پدیده در صنعت هواپیمایی است. به عنوان مثال سال ۱۹۵۲ یک هواپیمای پان آمریکن که از توکیو به سمت هونولولو جزایر هاوایی در حال حرکت بود توانست چند ساعتی از مدت زمان سفر خود بکاهد. این کاهش زمان صرفه جویی در مصرف سوخت را به دنبال دارد. پرواز در جهت موافق یا مخالف جت استریم ها می تواند بشدت بر سوددهی و زیان دهی صنایع هواپیمایی تاثیرگذار باشد. ناآرامی های وسیعی که در اطراف این تونل های باد وجود دارد و تاثیر پدیده گرمایش جهانی بر شدت خطرات وارده احتمالی افزوده چرا که امکان پیش بینی را تا حد امکان از هواشناسان گرفته است. یکی دیگر از دلایل اهمیت جت استریم ها تغییر در الگوهای جوی است. به عنوان مثال هواشناسان دلیل بارش های سیل آسای اخیر در بریتانیا را رودبادها می دانند و معتقدند که آنها الگوهای متعارف را بر هم زده اند. علاوه بر این از نظر هواشناسی فاکتورهای متعددی است که باعث می شود الگوهای جوی یک منطقه به شکل غیرعادی تغییر کند. برآوردها حاکی از آن است که در آخرین دوره یخبندان آمریکای شمالی، جت استریم قطبی به سمت جنوب منحرف شده و علت آن هم صفحه عظیم یخچالی در قطب شمال بوده که سه کیلومتر ضخامت داشته. این صفحه عظیم یخچالی عملا اقلیم محلی را تحت تاثیر قرار داده و حتی توانسته جریان رودباد را هم تغییر دهد. حاصل این تغییر مسیر نیز بارش های مداوم و شکل گیری چند دریاچه در آمریکای شمالی بوده. ال نینیو و لانینیا نیز توانایی آن را دارند که جت استریم را از مسیر خود منحرف کنند. به عنوان مثال با وقوع ال نینیو بارندگی در کالیفرنیا بشدت افزایش پیدا می کند چرا که جت استریم قطبی بیشتر به سمت جنوب منحرف می شود و ارمغان آن هم برای بخش های جنوبی تر چیزی به جز توفان های مهیب نیست.
برعکس با وقوع لانینیا، کالیفرنیا وارد یک دوره خشکسالی می شود و بارندگی ها بیشتر در بخش شمال غربی اقیانوس آرام متمرکز می شود. علت این پدیده آن است که جت استریم قطبی به سمت شمال منحرف شده است. تحت این شرایط بارندگی ها اغلب در اروپا به حداکثر میزان خود می رسد چراکه جت استریم توانایی آن را دارد که ابرها را به سمت شرق تغییر جهت دهد. امروزه، جابه جایی جت استریم شمالی مسلم شده و نتیجه آن هم تغییرات احتمالی است که اکنون شاهد آن هستیم. دلیل بیشتر خشکسالی ها و سیلاب های اخیر را باید در تغییر موضع جت استریم ها جستجو کرد. به همین دلیل بسیاری از دانشمندان و هواشناسان درصدد هستند که به جای رصد عواقب این پدیده به علت های آن پی ببرند. حتی این روزها استفاده از انرژی تونل های رودبادها در صدر تحقیقات جهانی قرار گرفته است. توربین های بادی معلق می توانند استفاده از این انرژی پاک را امکان پذیر سازند.
منابع:
– پرتال آفتاب، رودبادها متهم می شوند / ۱ شهریور ۱۳۹۱ کد A214983 به نقل از روزنامه جام جم
– وبسایت آموزشی MetEd
ترجمه و گرد آوری : مهرداد شهبازی/ آژانس هواشناسی ایران (http://irmancy.ir)
نویسنده: مهران فاطمی
مهران فاطمی دانشجوی دکترای آب و هواشناسی گرایش مخاطرات آب و هوایی دانشگاه یزد