ジェット気流

ジェット気流は、大気中を高速で流れる狭い気流です。^{[ 1 ]}これはテレコネクションの物理的メカニズムです。主な地上のジェット気流は対流圏界面付近の高度に位置し、西から東へ地球を一周する西風です。北半球と南半球にはそれぞれ極渦の周囲に極ジェット気流があり、海抜約30,000フィート（5.7マイル、9.1km ）に位置し、通常は時速約110マイル（180km /h）で流れていますが、しばしばかなり速く流れます。^{[ 2 ]}赤道に近く、やや高度が高く、やや弱いのが亜熱帯ジェット気流です。^{[ 2 ]}     

北極ジェット気流は北アメリカ、ヨーロッパ、アジアの中緯度から北緯にかけての地域と、それらの間の海洋を流れ、南半球の極ジェット気流は主に南極大陸を周回する。^{[ 3 ]}ジェット気流は、発生したり、停止したり、2つ以上の部分に分裂したり、1つの流れに合流したり、ジェット気流の残りの方向とは反対方向を含むさまざまな方向に流れたりすることがある。^{[ 4 ]}

エルニーニョ・南方振動はジェット気流の位置に影響を与え、それが熱帯太平洋の天候に影響を与え、熱帯および亜熱帯の大部分の気候に影響を与え、高緯度地域の天候にも影響を与える可能性があります。「ジェット気流」という用語は、大気中のさまざまな高度にある他のいくつかの風にも適用され、地球規模のもの（高高度の極夜ジェットなど）と局地的なもの（アフリカ東風ジェットなど）があります。気象学者は、ジェット気流の位置を天気予報の補助として使用します。航空会社は、ジェット気流を使用して飛行時間と燃料消費を削減します。科学者は、ジェット気流を発電に利用できるかどうかを検討してきました。第二次世界大戦中、日本はジェット気流を使用して風船爆弾「ふご」を太平洋を越えて運び、北米への小規模な攻撃を行いました。

ジェット気流は金星、木星、土星、天王星、海王星の大気中で検出されている。^{[ 5 ]}

この現象の最初の兆候は、アメリカの教授イライアス・ルーミス（1811～1889）によって示されました。彼は、大規模な嵐の挙動を説明するために、上空の強力な気流がアメリカ合衆国を西から東に吹いているという仮説を提唱しました。^{[ 6 ]} 1883年のクラカタウ火山の噴火後、気象観測者は数年にわたって空への影響を追跡し、地図に示しました。彼らはこの現象を「赤道煙流」と名付けました。^{[ 7 ] [ 8 ]} 1920年代には、日本の気象学者大石和三郎が富士山近くの地点からジェット気流を検出しました。^{[ 9 ] [ 10 ]}彼は風速と風向を測定するために使用されたパイロット気球（「ピバル」）が上昇するのを追跡しました。 ^{[ 11 ]}大石の業績はエスペラント語で発表されたため、日本国外ではほとんど注目されなかったが、時系列的にはジェット気流の科学的発見の功績は彼に帰せられるべきである。1933年に世界一周単独飛行を初めて達成したアメリカ人パイロット、ワイリー・ポスト（1898～1935）もジェット気流の発見の功績をしばしば認められている。ポストは6,200メートル（20,300フィート）以上の高度を飛行できる加圧スーツを発明した。ポストは亡くなる前年に何度か高高度大陸横断飛行を試み、時折、対地速度が対気速度を大幅に上回ることを発見した。^{[ 12 ]} 

ドイツの気象学者ハインリヒ・ザイルコップは、1939年にこの現象に対して「 Strahlströmung」（文字通り「ジェット気流」）という特別な用語を造語したとされている。^{[ 13 ] [ 14 ]}多くの情報源は、ジェット気流の性質についての真の理解は、第二次世界大戦中の定期的かつ繰り返しの飛行経路の横断によるものだと考えている。例えば、米国から英国への飛行では、飛行士たちは一貫して時速160km （100マイル）を超える西からの追い風に気づいていた。 ^{[ 15 ]}同様に、1944年には、リード・ブライソンを含むグアムの米国気象学者チームが、日本を襲撃する爆撃機の速度を低下させる非常に強い西風を予測するのに十分な観測データを得ていた。^{[ 16 ]}  

極ジェット気流と亜熱帯ジェット気流は、2つの要因によって生じる。1つは、太陽放射による大気加熱によって大規模な極循環、フェレル循環、ハドレー循環が生じること、もう1つは、これらの移動する質量に作用するコリオリ力である。コリオリ力は、惑星の自転によって生じる。極ジェット気流は極循環とフェレル循環の境界付近で形成され、亜熱帯ジェット気流はフェレル循環とハドレー循環の境界付近で形成される。^{[ 17 ]}

極ジェット気流は通常、250 hPa (約 1/4 気圧) 付近、または海抜30,000フィート (5.7マイル、9.1 km)付近に位置し、弱い亜熱帯ジェット気流はそれよりやや高い位置にある。^{[ 18 ] [ 2 ]}   

極ジェット気流は、より低い高度にあり、しばしば中緯度地域に侵入し、気象や航空に大きな影響を与えます。^{[ 19 ] [ 20 ]}極ジェット気流は、緯度30°から60°の間（60°に近い）に最もよく見られますが、亜熱帯ジェット気流は緯度30°付近に位置しています。これら2つのジェット気流は、場所や時間によっては合流しますが、他の時には大きく分離しています。北極ジェット気流は、その半球が温暖化するとゆっくりと北上し、冷えると再び南下するため、「太陽を追う」と言われています。^{[ 21 ] [ 22 ]}

ジェット気流の幅は通常数百キロメートルまたは数百マイルで、垂直方向の厚さは5キロメートル（16,000フィート）未満であることが多い。^{[ 23 ]}

ジェット気流は通常、長距離にわたって連続していますが、不連続な部分もよく見られます。^{[ 24 ]}ジェット気流の経路は通常、蛇行した形状をしており、これらの蛇行自体は流れの中の実際の風よりも遅い速度で東に向かって伝播します。さらに、蛇行は分裂したり、渦を形成したりすることがあります。^{[ 25 ]}

ジェット気流内の大きな蛇行や波は、それぞれロスビー波（惑星波）として知られています。ロスビー波は、緯度によるコリオリ効果の変化によって引き起こされます。^{[ 26 ]}短波トラフは、ロスビー波に重畳されたより小さなスケールの波で、長さは1,000 ～ 4,000 キロメートル (600 ～ 2,500マイル)です。 ^{[ 27 ]}短波トラフは、ロスビー波内の大規模な、または長波の「リッジ」と「トラフ」の周りの流れのパターンに沿って移動します。^{[ 28 ]}  

風速は気団間の温度差が最大となる場所で最大となり、しばしば時速92 km (50ノット、57マイル/時)を超える。^{[ 24 ]}時速400 km (220ノット、250マイル/時)の速度が測定されたこともある。^{[ 29 ]}      

ジェット気流は西から東へ移動し、天候の変化をもたらします。^{[ 29 ]}ジェット気流の経路は、大気の下層にある低気圧性暴風雨システムに影響を与えるため、その経路を知ることは天気予報の重要な部分となっています。たとえば、2007年と2012年には、極ジェット気流が夏の間南にとどまった結果、英国は深刻な洪水に見舞われました。^{[ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

ジェット気流は、冷たい極地の空気と暖かい亜熱帯の空気を隔てる大気境界として機能します。その不安定性はロスビー波の曲がりによって特徴付けられ、厳しい冬の天候につながる可能性があります。たとえば、2026 年初頭には、極寒の空気が北米全域に広がり、オンタリオ州などの地域で気温が-30 °C (-22 °F)を下回りました。^{[ 33 ] [ 34 ]}  

一般的に、風は対流圏界面直下で最も強くなります（局地的に竜巻、熱帯低気圧、その他の異常事態が発生する場合を除く）。温度や密度が異なる2つの気団が出会うと、密度差によって生じる気圧差（最終的に風の原因となる）は遷移帯内で最大になります。風は高温域から低温域へ直接吹くのではなく、コリオリ効果によって偏向され、2つの気団の境界に沿って流れます。^{[ 35 ]}

これらの事実はすべて、熱風関係の結果です。大気中の空気塊に垂直方向に作用する力のバランスは、主に空気塊の質量に作用する重力と浮力、つまり空気塊の上面と下面の圧力差との間のバランスです。これらの力のバランスが崩れると、空気塊はバランスが崩れた方向に加速します。浮力が重力を上回る場合は上向きに、重力が浮力を上回る場合は下向きに加速します。垂直方向のバランスは静水圧平衡と呼ばれます。熱帯地方を超えると、支配的な力は水平方向に作用し、主な拮抗力はコリオリ力と気圧傾度力です。これら2つの力のバランスは地衡平衡と呼ばれます。静水圧平衡と地衡平衡の両方が与えられれば、熱風関係を導き出すことができます。すなわち、水平風の垂直勾配は水平温度勾配に比例します。北半球の2つの気団、すなわち北にある冷たく密度の高い気団と南にある高温で密度の低い気団が垂直境界で隔てられており、その境界を取り除くと、密度の差によって冷たい気団が高温で密度の低い気団の下に滑り込むことになる。するとコリオリ効果によって極方向へ移動する気団は東に偏向し、赤道方向へ移動する気団は西に偏向する。大気の一般的な傾向は、極方向に向かって気温が低下することである。その結果、風には東向きの成分が生じ、その成分は高度とともに増加する。したがって、強い東向きのジェット気流は、赤道が北極や南極よりも暖かいという事実の単純な結果でもある。^{[ 35 ]}

北極ジェット気流は、亜熱帯ジェット気流よりもはるかに強く、高度もはるかに低く、北半球の多くの国を覆っているため、航空および気象予報にとって最も重要な気流である^{[ 39 ]。}一方、南極ジェット気流は主に南極大陸を周回し、時には南米の南端を周回する^{[ 40 ]}。

航空

ジェット気流の位置は航空にとって重要です。航空機の飛行時間は、ジェット気流に乗って飛ぶか、逆らって飛ぶかによって大きく左右されます。多くの場合、航空会社は燃料費と時間を大幅に節約するために、ジェット気流に乗って飛ぶように努めています。^{[ 39 ] [ 41 ]}

ジェット気流の商業利用は1952年11月18日に始まり、パンアメリカン航空が東京からホノルルまで高度7,600メートル（24,900フィート）で飛行した。これにより、飛行時間は18時間から11.5時間へと3分の1以上短縮された。^{[ 42 ]} 

北米内では、飛行機がジェット気流に乗って飛行できれば、大陸を東へ横断するのに必要な時間を約30分短縮できます。^{[ 43 ]}大西洋を横断する北大西洋トラックサービスにより、航空会社と航空管制はジェット気流を利用して、航空会社やその他の利用者の利益を図ることができます。^{[ 44 ]}

ジェット気流には、ジェット気流による垂直および水平の風のシアによって引き起こされる、クリアエア乱気流(CAT)と呼ばれる現象が伴います。 ^{[ 45 ]} CAT はジェット気流の冷たい空気側で最も強く、^{[ 46 ]}ジェット気流の軸のすぐ下に位置します。^{[ 47 ]}クリアエア乱気流は航空機を急降下させる可能性があり、乗客の安全を脅かす危険があり、1997 年のユナイテッド航空 826 便で乗客 1 人が死亡した事故のように、死亡事故を引き起こしています。 ^{[ 48 ] [ 49 ]} 2024 年 2 月下旬のジェット気流の異常な風速により、商用ジェット機は地上に対して800 mph (1,300 km/h、700 kn)を超える速度で飛行しました。^{[ 50 ] [ 51 ]}   

2000年代初頭から、気候モデルは地球温暖化によってジェット気流が徐々に極方向に移動すると一貫して示してきた。2008年には、1979年から2001年にかけて北半球のジェット気流が年間平均2.01キロメートル（1.25マイル）の速度で北上し、南半球のジェット気流でも同様の傾向が見られたという観測証拠によってこれが確認された。^{[ 70 ] [ 71 ]}気候科学者は、地球温暖化の結果としてジェット気流も徐々に弱まるだろうと仮説を立てている。北極海の海氷減少、積雪量の減少、蒸発散パターン、その他の気象異常などの傾向により、北極は地球上の他の地域よりも速く温暖化しており、これは北極増幅として知られている。 2021～2022年には、1979年以降、北極圏内の温暖化は世界平均の約4倍の速さで進行しており^{[ 72 ] [ 73 ]} 、バレンツ海域​​のいくつかのホットスポットでは世界平均の7倍もの速さで温暖化が進んでいることが判明した^{[ 74 ] [ 75 ]} 。北極は今日でも地球上で最も寒い場所の一つであるが、この温暖化の加速により、北極と地球上のより暖かい地域との間の温度勾配は、地球温暖化が10年ごとに縮小し続けるだろう。この勾配がジェット気流に強い影響を与える場合、ジェット気流は最終的に弱まり、その流れもより不安定になり、極渦からの冷たい空気が中緯度地域に漏れ出し、ロスビー波の進行が遅くなり、より持続的でより極端な気象現象につながるだろう^{[ 76 ]}。 

上記の仮説は、2012年にスティーブン・J・ヴァヴルスと共著した論文で最初に提唱したジェニファー・フランシスと密接に関連している。 ^{[ 76 ]} 1997年の温暖化の時期には極渦の変動性が高まり、より不安定な天候を引き起こすという古気候復元結果もあったが、^{[ 77 ]}これは気候モデルによって否定され、2010年のPMIP2シミュレーションでは、北極振動（AO）は最終氷期最盛期にははるかに弱く、負の位相が強かったことが判明し、温暖期にはAOの正の位相が強くなり、極渦の空気の漏れが少なくなると示唆された。^{[ 78 ]}しかし、2012 年のJournal of the Atmospheric Sc​​iencesのレビューでは、「21 世紀を通じて渦の平均状態に大きな変化があり、その結果、渦は弱くなり、乱れが増した」と指摘されており、^{[ 79 ]}これはモデルの結果とは矛盾するものの、フランシス・ヴァヴルスの仮説には合致する。さらに、2013 年の研究では、当時のCMIP5は冬のブロッキング傾向を著しく過小評価する傾向があると指摘されており、^{[ 80 ]}また、2012 年の別の研究では、北極海の海氷の減少と中緯度冬の大雪との関連性が示唆されていた。^{[ 81 ]}

2013年、フランシスによるさらなる研究では、北極海の海氷の減少と北半球中緯度地域の極端な夏の天候との関連性が指摘された^{[ 82 ]。}一方、同年の別の研究では、北極海の海氷の傾向とヨーロッパの夏のより極端な降雨との潜在的な関連性が特定された^{[ 83 ]} 。当時、北極の増幅とジェット気流パターンとのこの関連性がハリケーン・サンディの形成に関与し^{[ 84 ]} 、 2014年初頭の北米の寒波 にも役割を果たしたと示唆された^{[ 85 ] [ 86 ]}。2015年、フランシスの次の研究では、高度に増幅されたジェット気流パターンが過去20年間でより頻繁に発生していると結論付けた。したがって、継続的な温室効果ガスの排出は、長期にわたる気象条件によって引き起こされる極端な現象の発生増加を助長する^{[ 87 ] 。}

2017年と2018年に発表された研究では、北半球のジェット気流におけるロスビー波の停滞パターンが、2018年のヨーロッパの熱波、2003年のヨーロッパの熱波、2010年のロシアの熱波、 2010年のパキスタンの洪水など、他のほぼ停滞した異常気象現象の原因であると特定され、これらのパターンはすべて北極増幅と関連していると示唆された。^{[ 88 ] [ 89 ]}同年のフランシスとヴァヴルスによるさらなる研究では、北極の温暖化の増幅は、暖かい空気の膨張プロセスによって気圧レベルが上昇し、極方向のジオポテンシャル高度勾配が減少するため、下層大気領域でより強く観測されることが示唆された。これらの勾配は、熱風関係を通じて西から東への風を引き起こす原因であるため、速度の低下は通常、ジオポテンシャルが増加する領域の南で見られる。^{[ 90 ]} 2017年、フランシスはサイエンティフィック・アメリカン誌に自身の研究結果を説明した。「ジェット気流の大きな変動によって、より多くの水蒸気が北へ運ばれています。これは、水蒸気が二酸化炭素やメタンと同様に温室効果ガスであるため重要です。水蒸気は大気中に熱を閉じ込めます。また、その水蒸気は雲として知られる水滴として凝結し、それ自体がさらに多くの熱を閉じ込めます。水蒸気は増幅現象の大きな部分を占めており、北極が他のどの地域よりも速く温暖化している大きな理由の一つです。」^{[ 91 ]}

気候学者ジュダ・コーエンと数名の研究員が2017年に実施した研究で、コーエンは「極渦の状態の変化は、ユーラシア中緯度における最近の冬の寒冷化傾向の大部分を説明できる」と記した。 ^{[ 92 ]}ヴァヴルスらによる2018年の論文では、北極の増幅が中緯度夏のより持続的な高温乾燥の極端現象、および中緯度冬の大陸寒冷化と関連付けられている。^{[ 93 ]} 2017年の別の論文では、北極が異常な温暖化を経験すると、北米の一次生産は平均で1～4%減少し、一部の州では最大20%の損失を被ると推定されている。 ^{[ 94 ]} 2021年の研究では、成層圏の極渦の崩壊が、2021年2月の北米の寒波を含む、アジアと北米の一部における極端な冬の寒さと関連していることが判明した。^{[ 95 ] [ 96 ]} 2021年の別の研究では、北極海の海氷減少と米国西部における山火事の規模拡大との関連性が指摘されている。^{[ 97 ]}

しかし、特定の観測は短期的な観測とみなされるため、結論にはかなりの不確実性があります。気候学の観測では、さまざまな形態の自然変動を気候傾向から明確に区別するには数十年かかります。^{[ 98 ]}この点は、2013年^{[ 99 ]}と2017年^{[ 100 ]}のレビューで強調されました。 2014年の研究では、北極増幅により、ここ数十年で北半球の寒冷期の気温変動が大幅に減少したと結論付けました。現在、秋と冬には北極の冷たい空気がより温暖な低緯度地域に急速に侵入しており、この傾向は夏を除いて将来も続くと予測されているため、冬に寒冷極化がさらに進むかどうか疑問が生じています。^{[ 101 ]}世界中の35,182の気象観測所から収集されたデータセットの2019年の分析では、50年以上の記録を持つ9,116の観測所を含め、1980年代以降、北半球中緯度の寒波が急激に減少していることがわかりました。^{[ 102 ]}

さらに、2010 年代に収集され 2020 年に発表された一連の長期観測データは、2010 年代初頭からの北極増幅の強化が中緯度大気パターンの大きな変化とは関連していないことを示唆している。^{[ 103 ] [ 104 ]} PAMIP (極域増幅モデル相互比較プロジェクト) の最先端のモデリング研究は、2010 年の PMIP2 の調査結果を改善し、海氷の減少がジェット気流を弱め、大気ブロッキングの確率を高めることを発見したが、その関連性は非常に小さく、通常は年々の変動に比べると重要ではない。^{[ 105 ] [ 106 ]} 2022 年の追跡調査では、PAMIP の平均は海氷の減少による弱化を 1.2 ～ 3 倍過小評価していた可能性が高いが、修正された関連性でもジェット気流の自然変動の 10% にすぎないことがわかった。^{[ 107 ]}

さらに、2021年の研究では、ジェット気流はモデルの予測どおり1960年以降ゆっくりと極方向へ移動してきたものの、わずかに波状になったにもかかわらず弱まっていないことがわかった。^{[ 108 ]} 2002年から2020年にかけて収集された航空機観測データの2022年の再分析では、北大西洋ジェット気流は実際には強まっていることが示唆された。^{[ 109 ]}最後に、2021年の研究では、グリーンランドの氷床コアに基づいて過去1,250年間のジェット気流のパターンを再構築することができ、最近観測された変化はすべて自然変動の範囲内にとどまっていることがわかった。代表濃度経路8.5では、発散の最も早い時期は2060年であり、これは温室効果ガスの排出量が継続的に加速していることを意味する。^{[ 110 ]}

大気の下層部には風速が最大となる領域があり、これらはジェット気流とも呼ばれる。

他の惑星では、太陽熱ではなく内部熱がジェット気流を駆動していると考えられている。木星の大気には、内部熱によって駆動される対流セルによって生じる複数のジェット気流が存在する。これらが、おなじみの縞模様の構造を形成している。^{[ 29 ]}

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• 250hPa面における現在の風の分布図（ 2017年2月8日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• ティム・ウーリングス著『ジェット気流 ― 変化する気候を巡る旅』（2023年5月12日、ウェイバックマシンにアーカイブ済み）、2020年、オックスフォード大学出版局、ISBN 978-0-19-882851-8