Jetstrømmer og været i Norge
Geofysisk Institutt, 1. semester 2015
Jetstrømmer og været i Norge
Geofysisk Institutt, 1. semester 2015
Anders Bibow Olsen 241227 | GEOF100 | 31. oktober 2015
Oppgave 5
Anders Bibow Olsen 241227 | GEOF100 | 31. oktober 2015
Oppgave 5
Innholdsfortegnelse Introduksjon 2 Hva er en Jetstrøm? 3 Beskrivelse 3 Påvirkende faktorer 5 Bakgrunn om effekter som påvirker Jetstrømmer 5 Corioliskraften 5 Hadleycelle 6 Ferrelcelle 6 Polarcellen 7 Rossbybølger 7 Andre former for høytliggende jetstrømmer 8 Polarnatt jetstrøm 8 Lavtliggende jetstrømmer 8 Barrierejetstrømmer 8 «Valley exit jet» 8 Praktisk anvendelse av jetstrømmer 9 Luftfart 9 Vindkraft 9 Jetstrømmer og klimaendringer 9 Hvordan dette påvirker været her hjemme 11 Sonal og Meridional flyt 15 Oppsummering 15 Kilder 16
Introduksjon
Det var høytflyvende militære fly under 2. Verdenskrig som først kom skikkelig i kontakt med jetstrømmene, men det hadde blitt spekulert i dens eksistens før den tid.
Da man fra bakken hadde observert raskflyttende cirrus skyer, tenkte man at høytliggende vestavind med høy hastighet måtte eksistere.
På den nordlige halvkule er det to slike jetstrømmer; den Polare jetstrøm, og den Subtropiske jetstrøm.
For å forstå jetstrøm må man ha noe oversikt om hva som skjer i atmosfæren nærmest bakken; kjent som troposfæren. Det er også nyttig for å forstå dannelsen av Hadley, Ferrel og Polar celler og hvordan Corioliseffekten påvirker disse troposfæriske cellene.
Denne oppgaven skal ta for seg hvordan jetstrømmer og endringer i dem påvirker været på den nordlige halvkule, med fokus på Norge og nord i Europa.
Hva er en Jetstrøm?
Def. «Jetstrømmer eller jet er en sterk luftstrøm, med hastighet større enn 30 m/s eller 108 km/t, i den øvre delen av troposfæren.»1
Beskrivelse
Jetstrømmene er raskt flytende, trange luftstrømmer som finnes i atmosfæren.
De viktigste jetstrømmene er lokalisert nær høyden til tropopausen. De store jetstrømmene på jorda er vestlige vinder (strømmer vest til øst).
Deres baner har vanligvis en buktende form, eller meandrene baner. Jetstrømmer kan starte, stoppe, bli delt i to eller flere deler, kombineres til en strøm, eller strømme i forskjellige retninger, inkludert den motsatte retning enn mesteparten av jetstrømmen.
De sterkeste jetstrømmene er de polare jetstrømmene, som ligger på en høyde rundt 9-12 km over havet, mens de Subtropiske jetstrømmer som ligger på rundt 10-16 km over havet er noe svakere.
Den polare jetstrømmen på den nordlige halvkule strømmer på de øvre-midt til nordlige breddegrader i Nord-Amerika, Europa og Asia og deres mellomliggende hav, mens den sørlige halvkules polare jetstrøm for det meste sirkler Antarktis hele året.
Jetstrømmene er forårsaket av en kombinasjon av en planetens rotasjon rundt sin akse og atmosfærisk oppvarming (ved solstråling).
Jetstrømmene oppstår der temperaturforskjellene er størst. Vinden går ikke direkte fra varme til kalde områder, men blir avbøyd grunnet corioliseffekten, slik at den følger grensen mellom luftmassene. Polarfronten med de vandrende lavtrykk bidrar til at den polare jetstrømmen blir relativt smal, og plassert over polarfronten. I den intertropiske konvergenssonen stiger luft oppover og beveger seg så i høyden vekk fra ekvator. Denne luften vil i stor grad opprettholde vinkelmomentet, da den er lite utsatt for friksjon. Når luften har nådd vendekretsene, vil corioliseffekten bøye den mot øst, og dermed danne den subtropiske jetstrømmen.
Andre jetstrømmer eksisterer også. Når det er sommer på den nordlige halvkule kan det dannes østlig jetstrømmer i tropiske områder, typisk i en region hvor tørr luft møter mer fuktig luft i store høyder.
Meteorologer bruker plasseringen til noen av jetstrømmene som et hjelpemiddel i værvarsling. Den viktigste kommersielle relevans jetstrømmene har er i flytrafikken, hvor flytid kan bli dramatisk påvirket om man enten flyr med strømmen eller mot strømmen.
Se figur 1 under for et typisk kart av jetstrøm på jorden
Figur 1 - Jetstrømmene vises i rødt på sitt sterkeste punkt, og falmer til gult på sitt svakeste. STJ er området hvor den subtropiske jetstrømmen er, mens PJ er område hvor den polare jetstrømmen er. P & STJ viser hvor jetstrømmene har gått sammen.
Når man definerer hva som er en jetstrøm er en av kriteriene at vindhastigheten må være større enn 30 m/s.
Til sammenligning har en orkan middels vindstyrke over 32,6 m/s i minst 10 minutter. Jetstrømmene mot polen når halvkulen har sommer, og mot ekvator når det er vinter. Bredden på en jetstrøm er som regel noen hundre kilometer, og den vertikale tykkelsen sjeldent mer enn fem kilometer.
Påvirkende faktorer
Faktorer som påvirker jetstrømmens flyt er landmasser og corioliseffekten. Landmasser påvirker flyten av jetstrømmen ved hjelp av friksjon og av temperaturforskjeller, mens jordens rotasjon fremhever disse endringene. Ovenfra kan det se ut som om jetstrømmen snirkler seg rundt jorden slik en elv bukter seg før det når havet. De buktende delene av jetstrømmen endrer seg hele tiden etter hvert som de samhandler med landmasser, og skaper en stadig skiftende tilstand av forandring og påfølgende temperaturforskjeller.
Om vinteren kan temperaturen i stratosfæren også ha en innvirkning på styrken og plasseringen av jetstrømmen. Desto kjøligere den polare stratosfæren er, jo sterkere blir differansen mellom det polare og det tropiske. Dermed «oppmuntres» jetstrømmen til å øke i styrke. Varmen fra landmasser og hav kan også ha betydning for styrken og amplitude av jetstrømmen.
Bakgrunn om effekter som påvirker Jetstrømmer
Når man snakker om Jetstrømmer, dukker det opp en rekke andre utrykk som er viktig å ha kjennskap til.
Corioliskraften
Dette lavtrykket over Island roterer mot klokken på grunn av balanse mellom Corioliskraften og trykkgradienten
Dette lavtrykket over Island roterer mot klokken på grunn av balanse mellom Corioliskraften og trykkgradienten
Corioliskraften (også kalt Corioliseffekten) er en fiktiv kraft som i fysikken kan innføres for å få et system på jorden til å oppføre seg som et treghetssystem. Denne fiktive kraften er svært viktig i forbindelse med meteorologiske beregninger, da vi må opp på en større skala for Corioliskraften skal få noen større betydning på systemet.
Corioliseffekten innebærer at jordrotasjonen leder til at vinder og havstrømmer i nord-sør retning bøyes av. På den nordlige halvkule dreies nordgående bevegelser mot øst, mens de sørgående trekkes mor vest.
Det er viktig å merke seg at Corioliskraften er en fiktiv kraft. Den oppfølger ikke betingelsene for å være en «ekte» kraft. Den har for eksempel ingen motkraft, som da gjør den uforenelig med Newtons 3. lov.
En annen velkjent eksempel på en fiktiv kraft er sentrifugalkraften.
Hadleycelle
1Hadleycellen fører varme og fukt fra tropene i retning mot polene
1Hadleycellen fører varme og fukt fra tropene i retning mot polene
Hadleycellen er et sirkulasjonsmønster som dominerer den tropiske troposfæren med stigende bevegelser nær ekvator, og en luftstrøm mot polene 10-15 km over bakken. I subtropiske strøk synker luften ned mot bakken igjen før den strømmer tilbake til ekvator nær bakken. Denne sirkulasjonen skaper flere vinder, og har mye med Jetstrømmer å gjøre.
Drivkraften bak sirkulasjonen er soloppvarming, som i gjennomsnitt er størst nær ekvator, og minst ved polene.
Hadleycellen oppstår mellom 30ºN og 30ºS, en på hver side av ekvator.
Ferrelcelle
Er på samme måte som Hadleycellen en atmosfærisk sirkulasjonscelle, Ferrelcellen er lokalisert mellom polarcellen og Hadleycellen.
Ferrelcellen er det man kaller termisk indirekte, noe som betyr at kinetisk energi blir omformet til indre eller potensiell energi.
Da ferrelcellen er i mye mindre markant enn hadley- og polarcellen, kan man også argumentere for at den ikke eksisterer i det heletatt.
I vestavindsbelte blir varmluft ved overflaten drevet nordover av trykksystemer og presset over kald luft som driver sørover. Corioliseffekten den nordlige luftstrømmen til å bøye av til høyre, og med dette danne vestlige jetstrømmer i høyden.
Polarcellen
Polarcellen er også en atmosfærisk sirkulasjonscelle på lik linje med Hadley- og Ferrelcellen. Til tross for at luften nær 60° N/S er kald og tørr i forhold til den ekvatoriale luften, er den varm og fuktig nok til av konveksjonen kan drive en termal sirkulasjon.
Luftstrømmen mot polene danner harmoniske bølger i atmosfæren som vi kaller Rossybølger. Disse svært lange bølgene spiller en viktig rolle i retningen til jetstrømmen.
Polarcellen er svært viktig når det gjelder transport av varme, og er med på å balansere Hadleycellen i jordens energibalanse ved å sende kald luft mot ekvator.
Rossbybølger
Rossbybølger, også kalt planetære bølger er storstilte meanderbølger i vindsystemer som ligger høyt i atmosfæren som har stor innflytelse på været. Rossbybølger er naturlig å ta opp når man snakker om trykksystemer og jetstrømmer.
Rossbybølger har en fasefart som alltid går vestover. Gruppefarten til bølgen kan derimot ha en annen retning. I hovedsak har kortere bølger en gruppefart i østlig retning, mens de lange bølgene har en gruppefart vestover.
Viser startende meander i Jetstrømmen på den nordlige halvkule (a,b) og en fallende "dråpe" med kald luft (c)
Orage: varme luftmasser, Rosa: Jetstrøm
For å skille mellom den vertikale strukturen, snakker man om barotope og barokline rossbybølger. Barotope rossbybølger har ingen vertikal variasjon, og har den høyeste forplantningsfarten. De barokline bølgene er betraktelig tregere med en fart på bare noen få centimeter i sekundet.
Andre former for høytliggende jetstrømmer
Polarnatt jetstrøm
Det vi kaller for polarnatt jetstrøm oppstår kun i vintermånedene ved sine respektive polområder rundt 60° N/S, men er høyre enn den polare jetstrømmen, omtrent 24 km.
Om vinteren er det som kjent mye kaldere og mørkere enn ved ekvator, dette gjør at luften over polene blir veldig kald. Den store temperaturforskjellen gjør at det blir ekstrem forskjell i lufttrykket i stratosfæren, som kombinert med corioliseffekten skaper polarnatt jetstrømmen som strømmer raskt østover omtrent 48 km over havet.
Polarnatt jetstrømmen skaper et slags skjold, slik at varmere luft fra lavere breddegrader ikke slipper igjennom. Dette gjør at den polare lufttemperaturen stadig synker, siden den ikke blir tilført energi fra varm vind, eller energi fra solen.
Lavtliggende jetstrømmer
Det oppstår også vindmaksimumer ved de lavere delene av atmosfæren som man referer til som jetstrømmer
Barrierejetstrømmer
En barrierejetstrøm i de lave delene av atmosfæren oppstår ved fjellkjeder, når fjellet tvinger jetstrømmen til å følge langs fjellsiden. Fjellbarrieren øker styrken på vinden med opptil 45 prosent.
«Valley exit jet»
En «valley exit jet» er en sterk forhøyet vind som forekommer ovenfor krysset av dalen og dens tilstøtende slette. Denne jetstrømmen oppnår ofte hastigheter på 20 m/s og ligger på høyder mellom 40 og 200 meter over bakkenivå. Overflatevinden under er ikke like sterk, men kan være nok til å skape bevegelse i vegetasjon.
Praktisk anvendelse av jetstrømmer
For oss, er det den polare jetstrømmen på den nordlige halvkule som er den aller viktigste når det kommer til både flyvning og værmelding. Dette er fordi den er mye sterkere og ligger lavere enn den subtropiske jetstrømmen. Den dekker også en rekke land på den nordlige halvkule, mens den sørlige for det meste sirkler Antarktis og noen ganger tuppen av Sør-Amerika.
Luftfart
For luftfarten er beliggenheten til jetstrømmen svært viktig. Den første kommersielle flyvningen som tok i bruk jetstrømmen var den 18. november 1952, da Pan Am fløy fra Tokyo til Honolulu med en høyde på 7600 meter. Dette kuttet reisetiden med over 1/3, fra 18 til 11.5 timer. Dette betyr også at flyindustrien sparer bruk av drivstoff.
Vindkraft
Forskere ser på mulighetene til å kunne utnytte jetstrømmer til vindenergi. I følge ett estimat av den potensielle vindenergien, vil man kun trenge en prosent for å imøtekomme energibehovet til hele planeten. Den nødvendige teknologien vil visstnok ta mellom 10 og 20 år å utvikle.
Det er skrevet to større artikler om dette temaet. Archer & Caldeira påstår at jetstrømmene kan generere så mye som 1700 TW, og at klimapåvirkningene vil være ubetydelig.
Mens Miller, Gans, & Kleidon påstår at jetstrømmene vil kunne generere totalt 7.5 TW, og at klimapåvirkningene vil være katastrofisk. Jetstrømmer og klimaendringer
Forskere har nylig begynt å oppdage endringer i jetstrømmene som kan være knyttet til global oppvarming. Forskningsområdet er ganske nytt, svært komplisert, og det er fortsatt mye uenigheter blant forskere hvordan eller om det har en direkte sammenheng.
Planeten vår blir bare varmere og varmere, og det har allerede hatt klar påvirkning på jetstrømmer og korresponderende værmønster, ifølge den siste U.N IPCC klimarapporten, som sier følgende: “It is likely that circulation features have moved poleward since the 1970s, involving a widening of the tropical belt, a poleward shift of storm tracks and jet streams, and a contraction of the northern polar vortex. Evidence is more robust for the Northern Hemisphere.”. Forskningen bak dette utsagnet er basert på flere observasjoner – fra analyser av ekspansjonen til tropiske Hadleycellen, til satellitt målt stråling, radiosonde observasjoner, og værmønsteranalyse. Men selv om sikkerheten øker for en endring i jetstrømmene, er det fortsatt mye usikkerhet om jetstrømmen blir forsterket, og med det fremmer mer «blokkerte mønstre».
Arbeidet til Dr. Jennifer Francis og Stephen Vavrus viser at mens Arktis varmes raskere enn i tropene, vil en forminskning av temperaturgradienten mellom ekvator og Nordpolen bremse jetstrømmen. Når jetstrømmen bremser, støtter det en mer "bølgete", oftere forsterket jetstrøm som øker sannsynligheten for ekstremvær, kjent som Arktisk forsterkning.
Men på en annen side er det ikke all forskning som støtter Arktisk forsterkning og dens påvirkning på værmønsteret ved de midtre breddegrader. For eksempel, James A. Screen & Ian Simmonds prøvde å finne et mønster mellom de to ved hjelp av planetære bølgemønster, men fant ingen klar trend. Litt senere publiserte Elizabeth A. Barnes en artikkel om sine funn som ikke fant en signifikat økning i «blokk mønster» over Nord Amerika eller Nord Atlanterhavet. Dette indikerer at store stormer og ekstremt vær ved de midtre breddegrader ikke kan blir forklart ved Arktisk forsterkning alene. Disse funnene betyr ikke at hypotesen til Francis og Vavrus er feil, det betyr heller at atmosfæren er svært kompleks og at det trengs en hel del mere forskning på området.
Ivana Cvijanovic, som er en forsker hos «the Carnegie School for Science, Stanford» forsker også på implikasjonene om Arktiske klimaforandringer er relatert til ekstremt vær ved de midtre breddegrader. Hun skrev: “A number of studies indicate sea ice loss as a likely cause of some of the recent weather extremes (Honda et al., 2009; Petoukhov and Semenov 2010; Liu et al., 2012), but it appears we still lack an ‘ultimate proof’ that sea ice loss will be affecting extreme weather events in the future.”
En av de store utfordringene vi møter på når man skal identifiser den rette mekanismen for å linke oppvarming ved polene til ekstremvær ved de midtre breddegrader, er at man mangler data med langtidsobservasjoner. Satellittdata har kan man samlet inn siden slutten av 1970 tallet, men det er bare i de siste ti til 15 årene vi har opplevd en slik økning av issmelting som man ser i dag.
Så studier som baserer seg på disse observerte data, og nylige funn er ikke robuste nok til å kunne bekrefte den ene statistiske signifikante foran den andre.
Forholdet mellom klimaendringer og jetstrømmer er svært komplisert, med svært mye som gjenstår å lære.
Hvordan dette påvirker været her hjemme
Figur 2 – Jetstrømmen er vist i rosa på sitt sterkeste, og falmer til gult på sitt svakeste. CA= kald polar luft, WA= varmere luft, PJ= Polar jetstrøm, STJ= Subtropisk jetstrøm, JS= «jet streak».
Fra Figur 2 kan man se at den polar jetstrømmen bukter seg over sør kysten og vestkysten som en bølge. Disse bølgene innfører lommer av kaldere luft sørover og varmere nordover. Temperaturendringen er demonstrert ved å se på lufttemperaturen høyt nok i atmosfæren, hvor bakke- og sjøtemperatur ikke påvirker det; ca. 1500 m.o.h der lufttrykket er rundt 850 hPa.
Figur 3
Ved å se på figur 3 som også her temperaturer fra 850 hPa kan du se klare grenser mellom kalde og varme luftmasser, som blir delt av den polare jetstrømmen. Du kan også se avgrensning mellom varm og varmere luft som den subtropiske jetstrømmen påvirker. Dette viser mønsteret av jetstrømmene, og viser hvordan den er forbundet med- og ved forskjellen i varmere og kaldere luftmasser.
Videre, hvis vi ser tilbake på figur 2, kan man se at bølgemønsteret den polare jetstrømmen lager har tydelige topper (rygger) og daler. Det er da ingen overraskelse å finne at hvis vi overlapper jetstrømmen med et diagram som viser havnivå, at ryggene oppstår der havnivå er høyest og dalene oppstå der havnivå er lavest (som figur 4 viser). Dette skyldes at luften stiger hvor dalene befinner seg og synker der for det forekommer rygger. Stigende og synkende pakker a luft vil derfor avgjøre hvilken type vær som en region erfarer.
Figur 4- R= rygg, T= dalsøkk, X= lavtrykk
Hvis vi ser på området merket «X» på Figur 4 lokalisert mot vestkysten av Island. Dette er et vanlig syklon- eller baroklinisk lavtrykk som er en direkte konsekvens av trykk- og temperaturforskjellen over et område. Dette styrker jetstrømmen, som igjen driver lavtrykket.
Til kontrast, viser figur 5 samme diagram som figur 2. Vær imidlertid oppmerksom på følgende punkter:
• Det innringede området er der hvor jetstrømmen er sterkest; «jet streak.»
• Den lilla boksen markerer hvor vinden kommer inn i» jet streak.»
• Vindene som forlater «jet strek er markert med den svarte boksen.
Vinden som forlater «jet streak» er raskt divergerende, og skaper et lavere trykk i det øvre nivået (tropopause) i atmosfæren. Luften erstatter nedenfor raskt de øvre utstrømmende vindene. Dette skaper det lave trykket ved overflaten (merket X på fig 4). Dette overflatelavtrykket skaper forhold der de omkringliggende overflatevindene presses innover. Corioliseffekten skaper en syklonsrotasjon som er forbundet med lavtrykket. De sterkeste overflatevindene i det nyutviklede lavtrykket blir normalt observert på venstre utgangspunkt av «jet streak», hvor «jet streak» er sterkest.
Figur 5 - Den svarte ovale ringen indikerer en «jet streak», den lilla firkanten indikerer vind inn i «jet streak», og den svarte boksen indikerer raskt divergerende utgansgsvind.
Sonal og Meridional flyt
I perioder når jetstrømmen er flat og sterk, med lite forsterkning eller buktning, vil Norge, og spesielt vestkysten oppleve vær som er drevet rett fra Atlanterhavet og Norskehavet. Dette er generert værforhold med vind, regn og middeltemperatur for årstiden. Det er dette vi kaller Sonal flyt, hvor de kalde luftmassene tydelig blir definert av en rett og rask jetstrøm.
Men, I perioder hvor jetstrømmen er forsterket (slik som i figur 2) vil mønsteret være annerledes. Man refererer ofte til Meridional flyt når polar luft reiser lengre sør enn normalt, og subtropisk luft reiser lengre nord. Den eksakte posisjonen til forsterkningen til jetstrømmen vil avgjøre om Norge befinner seg i kald polar luft, eller varmere luft fra lavere breddegrader.
Hvis den Meridionale flyten stagnerer, kan deler av Norge oppleve en blanding av de to. Man sier da gjerne at mønsteret er «blokkert».
Oppsummering
Det er helt tydelig at jetstrømmene har en stor betydning for været og klimaet på jorden.
Etter at dens eksistens ble påvist, har de blitt en viktig faktor for værmelding, og gitt oss en større forståelse om hvordan større værsystemer fungerer og oppstår.
Plasseringen på det meandrene «bølgemønsteret» gir oss klare indikasjoner på hvor det vil oppstå lavtrykk, og et stagnerende mønster forteller oss hvordan været på hver side av jetstrømmen vil bli over lengre perioder.
Jetstrømmer har hjulpet oss å fly fortere fra A til B, og man forsker på muligheter til å utnytte dem til vindkraft.
Men det mest spennende med dem, er at selv om vi vet at de eksisterer, og kan overvåke dem til enhver tid, er det fortsatt mange spørsmål som ikke er blitt besvart.
Er det en direkte sammenheng mellom global oppvarming og ekstremvær i forbindelse med jetstrømmene? Hva vil det si for oss i Norge om den polare jetstrømmen blir svekket over tid?
Forskere over hele verden jobber med nettopp slike spørsmål hele tiden. Man kan bare se frem til å lese svaret den dagen det kommer.
Kilder
Lærebok
: «Essentials of Meteorology, 7th Edition» C. Donald Ahrens
Artikkel
Ned Rozell. Amazing flying machines allow time travel. (http://www.gi.alaska.edu/ScienceForum/ASF17/1727.html)
Keay Davidson. Scientists look high in the sky for power. (http://www.sfgate.com/cgibin/article.cgi? file=/c/a/2007/05/07/MNGNEPMD801.DTL)
Archer, C. L. and Caldeira, K. Global assessment of highaltitude wind power, IEEE T. Energy Conver., 2, 307–319, 2009. (http://www.awec2010.com/public/img/media/archer_caldeira.pdf) L.M. Miller, F. Gans, & A. Kleidon Jet stream wind power as a renewable energy resource: little power, big impacts. Earth Syst. Dynam. Discuss. 2. 201–212. 2011. (http://www.earthsystdynam.net/2/201/2011/esd22012011.pdf)
GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 40 Issue 5 16 march 2013
James A. Screen & Ian Simmonds
“Exploring links between Arctic amplification and mid-latitude weather”
GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 40, 1–6, doi:10.1002/grl.50880, 2013 Elizabeth A. Barnes,
“Revisiting the evidence linking Arctic amplification to extreme weather in midlatitudes”
Internett
https://no.wikipedia.org/wiki/Jetstr%C3%B8m lest 27.10.15 https://metlex.met.no/wiki/Jetstr%C3%B8mmer lest 27.10.15 http://www.netweather.tv/ lest 27.10.15 – Bilder https://en.wikipedia.org/wiki/Atmospheric_circulation lest 28.10.15 https://en.wikipedia.org/wiki/Rossby_wave lest 28.10.15 http://www.climatecentral.org/ http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
