Jetströmmarna som cykelhjul

Jetströmmarna på 7-12 km höjd utgörs av cirka 400 km breda och 2000-3000 km långa vindstråk med dynamiska egenskaper, som bland annat kan förstås genom att göra liknelser med ett rullande cykelhjul.

I artikeln Det svänger om luften visas hur luft som accelereras i ett konstant tryckfält oscillerar mellan lågt och högt lufttryck i cykloidformade banor samtidigt som hastigheten varierar mellan dubbla den geostrofiska vinden och stiltje.

Detta är inte någon artificiell tankekonstruktion utan den fysikaliska mekanismen bakom de småskaliga nattliga jetströmmarna på några hundra meters höjd. Från detta kan vi gå vidare och få en fördjupad insikt i hur storskaliga jetströmmar bildas på 7-12 km höjd.

Den kraftigaste jetströmmen i atmosfären är den subtropiska, som bildas av luft som värmts upp i tropikerna och sedan på hög höjd accelererats mot polerna (se Den subtropiska Midgårdsormen). Corioliseffekten medverkar till att styra den österut kring 30º latitud.

Det är inte förvånande att det är norr om områden med den kraftigaste uppvärmningen, över Karibiska havet, Nordafrika och Himalaya, som vi finner tre distinkta jetvindmaxima. På södra halvklotet finner vi av samma skäl jetvindmaxima över södra Sydamerika, Sydafrika och Australien.

Jetströmmarnas cykloidiska form

En viktig pusselbit för att förstå jetströmmarnas dynamik är deras cykloidiska form. En cykloid är den bana en fast punkt på ett rullande (cykel)hjul beskriver. I fallet med luften som accelererar i ett konstant tryckfält utgörs ”hjulet” av en tröghetscirkel, dvs. den cirkel som corioliskraften söker driva in all rörelse i.

Hjulets framåtskridande hastighet bestäms av den geostrofiska vinden (Vg). Eftersom vi känner perioden för en tröghetssvängning (τ), kan vi därför räkna ut hur långt ”hjulet” rullar under en period (τVg) och hur många svängningar den skulle hinna med längs en viss latitudcirkel (Fig1).

Vid 30º latitud borde för Vg=50 m/s sex sådana svängningar få plats och på mellanbredderna tio. Men i verkligheten finns det bara halva antalet för när vinden och lufttrycksfördelningen tillåts anpassa sig till varandra dämpas svängningarna när de möts ”halvvägs”.

Vi kan införliva detta i vår cykloidbild genom att flytta punkten halvvägs mellan däcket och navet. Cykloidens amplitud halveras men blir i gengäld utdragen till dubbla längden eftersom τ fördubblas (Fig2). Detta leder till bara hälften så många svängningar, vilket bättre motsvarar verkligheten (Fig3).