„MeteoZwierzenia”: co się dzieje w chmurze?

Precyzując temat dokładniej, co dzieje się w chmurze burzowej, w Cumulonimbusie. Pretekstem do napisania o tym była znaleziona gdzieś w sieci informacja, że w stolicy Peru, Limie, zanotowano pierwszą burzę od … 60 lat. Jak to możliwe?

Tekst i zdjęcie Marek Zwierz

Zastanówmy się jak powstaje chmura. Wstępujące powietrze transportuje wilgoć do góry, a ta na pewnej wysokości skrapla się tworząc chmurę. Lima leży na zachodnim wybrzeżu Ameryki Południowej, nad Oceanem Spokojnym. Ten rejon znany jest z płynącego na północ, zimnego Prądu Humboldta niosącego wodę o niskiej temperaturze z Wielkiego Oceanu Południowego. Zimny ocean ochładza powietrze, a zimne powietrze jest ciężkie i niezbyt skore do wznoszenia się. W takich warunkach raczej rzadko może powstać silna konwekcja, czyli pionowy ruch wstępujący powietrza będący warunkiem tworzenia się chmur kłębiastych, a do takich chmur należą chmury burzowe. Jak widać, wszystko jest jak najbardziej logiczne i wytłumaczalne.

W Polsce mamy rocznie około 150 dni burzowych. Głównie od maja do sierpnia z maksimum w lipcu. Patrząc na rozkład powierzchniowy, najbezpieczniejsi jesteśmy na wybrzeżu. Wzdłuż całego polskiego wybrzeża ilość wyładowań atmosferycznych jest zdecydowanie poniżej średniej. Nie oznacza to, że tu nie grzmi, ale grzmi dużo rzadziej. Bez chmur nie ma burzy. Jak taka chmura burzowa powstaje? Co dzieje się w jej wnętrzu?

Warunkiem podstawowym powstania chmury jest niestabilna atmosfera. Do tego dochodzą silne ruchy pionowe powietrza wywołane na przykład rozgrzaniem się w ciągu dnia powierzchni ziemi. Jeżeli dodamy do tego parującą z ziemi wilgoć transportowaną wspomnianymi ruchami pionowymi powietrza, to mamy mieszankę gotową stworzyć wypiętrzającą się chmurę kłębiastą. Z początku jest to niewielki Cumulus pięknej pogody, który wraz z dostarczaną mu energią rozbudowuje się ku górze. W sprzyjających warunkach może on dojść do granicy troposfery. Na szczycie tej chmury temperatura spada znacznie poniżej zera. Może dojść do kondensacji pary wodnej i tworzenia się kropli wody. Z początku wody silnie przechłodzonej, która przy byle zaburzeniu zamienia się w kryształek lodu. Lód przyrasta i tworzą się krupy śnieżne albo kawałki lodu. Ich ciężar w pewnym momencie pokonuje siłę prądów wznoszących i zaczynają spadać. Po drodze rosną „zabierając” kolejne krople zamarzającej wody. W chmurze się kotłuje. Prądy wznoszące zamieniają się z opadającymi i często krupy i kawałki lodu zostaną znów uniesione do góry. Cały czas się powiększając. Ten proces może być powtórzony kilkukrotnie zanim z wielkim hukiem bryłki lodu jako grad spadną na ziemię.

W powyższym opisie wygląda to dość prosto, ale rzeczywistość w przyrodzie jest zawsze bardziej fantastyczna, niż nasza wyobraźnia. Okazuje się, że powietrze jest transportowane ku górze nie tylko w centrum chmury. Mniej więcej takie same ilości powietrza wędrują w stronę szczytu Cumulonimbusa wzdłuż jego brzegów. To suche powietrze wyciągające energię cieplną z chmury poprzez wyparowywanie poszczególnych kropli na jej brzegach. Jednocześnie dochodzi do kolizji krup śnieżnych z kryształkami lodu w otoczeniu przechłodzonych kropli wody, co prowadzi do zbierania się ładunków elektrycznych. Krupy śnieżne zyskują ładunki ujemne, a kryształki lodu dodatnie. Krupy unoszą się mniej więcej w połowie wysokości chmury lub opadają, a lżejsze kryształki są wynoszone ku górze. Tworzy się dipol elektryczny i zaczyna dochodzić do pierwszych wyładowań. Na razie wewnątrz Cumulonimbusa.

W pełni rozwinięta komórka Cumulonimbusa ma w naszych szerokościach geograficznych 8 do 10 km wysokości i średnicę 8 do 15 km. Największe prędkości wznoszące występują w samym centrum chmury na wysokości pomiędzy 3 i 6 km. Pionowa prędkość powietrza osiąga tam 15 do 25 m/s, a zdarzało się mierzyć i 30 m/s. Dla przypomnienia, 30 m/s to 60 węzłów, wiatr o sile 12° B! W pionie! W tym stadium rozwoju komórki burzowej dochodzi do silnych opadów deszczu, krup śnieżnych lub gradu. Intensywność, wzmagana jeszcze energią kinetyczną opadających cząstek, opadającego zimnego powietrza poniżej podstawę chmury jest niebezpieczna, choć przestrzennie dość ograniczona. Zjawisko nazywa się downburst i wywołuje dreszcz grozy u pilotów.

Co z tego całego wywodu wynika dla żeglarzy? Przede wszystkim to, że trzeba zadrzeć głowę do góry i obserwować co dzieje się w chmurach. Rozbudowujące się ku górze chmury kłębiaste wsysają powietrze, które przecież musi być uzupełniane powietrzem dopływającym poziomo. To oznacza, że wiatr wieje w kierunku rozwijającej się chmury. Czym groźniej wygląda obserwowany Cumulonimbus, szczególnie, jeżeli już pod nim ukształtuje się wał szkwałowy, tym bardziej możemy być pewni silnego uderzenia wiatru wiejącego spod chmury. Najmniejszy poziomy ruch powietrza jest pod chmurą, ale tam jest mokro, ciemno i ogólnie nieprzyjemnie, więc unikajmy tych rejonów.

Te wszystkie zjawiska są tym wyraźniejsze, im mniej jest tak zwanego wiatru gradientowego. To znaczy takiego, w którym ruch powietrza wynika z różnicy ciśnień w wyżu (lub niżu) atmosferycznym. Jeżeli chmury poruszają się, to prędkość szkwału przed chmurą dodaje się do jej prędkości. Jeżeli chmura jeszcze się buduje, to wsysane powietrze przed poruszającą się chmurą jest hamowane, a za nią przyspiesza niejako goniąc ją.

Generalnie unikamy dostania się pod chmurę, bo tam albo cisza, albo opady, a zwykle jedno i drugie, a w dodatku mocno ograniczona widzialność. Unikamy czoła chmury, bo tam są najsilniejsze wiatry, szczególnie, gdy jest już na etapie oddawania nagromadzonej energii. Unikamy też ogona, bo tam też albo silne wiatry, albo cisze. Staramy się, jeżeli tylko nam się uda, trzymać brzegów chmury i wykorzystywać wiejące tam wiatry. Natomiast zawsze w pobliżu takiej chmury kamizelki, pasy i przypinamy się zabezpieczając wszystko na pokładzie. Obyście na takie warunki nie trafiali, bo u mnie za oknem już grzmi…