O powstawaniu chmur Cumulonimbus

Określane jako najwyższe chmury na ziemi. Nie ze względu na wysokość, na jakiej się znajdują, w końcu daleko im do mezosferycznych obłoków srebrzystych, jednak ze względu na swoją pionową rozbudowę. Drzemie w nich energia nawet 10 bomb atomowych zrzuconych na Hiroszimę. [ŹRÓDŁO] Chmury Cumulonimbus, określane potocznie “burzowymi” są w stanie rozbudować się do kilkunastu kilometrów wysokości, w skrajnych warunkach sięgając aż do dolnej stratosfery [NAUKA O KLIMACIE 68].  Odpowiadają za większość niebezpiecznych zjawisk pogodowych, obserwowanych na ziemi, jak niszczący wiatr, powodzie błyskawiczne, opady dużego gradu, czy trąby powietrzne. W chmurach burzowych generowane jest pole elektryczne, co skutkuje pojawianiem się gigantycznych iskier, znanych nam jako wyładowania atmosferyczne. Jakie procesy muszą zajść, aby z małego, skłębionego “baranka”, rozwinęła się tak masywna chmura kłębiasto-deszczowa? Jaki wpływ na ich rozwój ma gęstość powietrza? Czy rzeczywiście burze są wynikiem zderzania się mas powietrza o różnej temperaturze? Na te i wiele innych pytań postaram się odpowiedzieć w poniższym opracowaniu. Celem tego tekstu jest zrozumienie fizyki chmur burzowych przez laików i przedstawienie Wam wiedzy, którą być może nabywaliście w szkole w nieco prostszy sposób. Jeśli interesują Was zjawiska burzowe, myśleliście kiedyś o gonieniu za nimi, lub chcielibyście nauczyć się je samodzielnie prognozować, niech ten tekst posłuży Wam jako solidna podstawa do zrozumienia tego, co dzieje się wówczas, gdy nasza ziemska atmosfera staje się niestabilna. 

Atmosfera i troposfera

Zacznijmy od absolutnych podstaw, a więc przypomnijmy sobie, co otacza naszą ziemię. Jest to nic innego jak atmosfera, czyli powłoka gazowa, oddzielająca nas od kosmosu. Granica atmosfery ziemskiej przebiega umownie na wysokości ok. 1500 km [PWN MIK]. Atmosfera składa się z warstw, które różnią się od siebie m.in. pionowym przebiegiem temperatury. Nas, jako osoby chcące dowiedzieć się jak powstają burze, interesuje ta warstwa atmosfery, która leży najbliżej ziemi. Jest ona nazywaną troposferą i to w niej występują obserwowane na co dzień chmury i dzieją się wszelkie zjawiska pogodowe. Wysokość troposfery jest silnie uzależniona od temperatury [ŹRÓDŁO] i w zależności od szerokości geograficznej, sięga średnio do 18 km nad równikiem, 9 km w umiarkowanych szerokościach geograficznych oraz 6 km wysokości nad biegunami. [NOA ŹRÓDŁO] 

Troposfera charakteryzuje się spadkiem temperatury powietrza wraz z wysokością, prościej mówiąc im wyżej tym chłodniej. [ŹRÓDŁO] Spadek ten jest nierównomierny, tzn. na różnych poziomach może on przebiegać w różnym tempie. Ponadto w troposferze mogą zalegać stosunkowo cienkie warstwy inwersyjne, powodujące odwrotny przebieg temperatury, a więc jej wzrost wraz z wysokością, lub warstwy izotermiczne, w których temperatura nie zmienia się. Wszystko zostało przedstawione na powyższej grafice. 

Nad troposferą leży stratosfera, która jest oddzielona cienką warstwą przejściową, nazywaną tropopauzą. Jest ona izotreczmian dopisac.

STAN PARNOŚCI
INWERSJE

Jak mawiał Charles A. Doswell...

Powstawanie burz jest uwarunkowane zaistnieniem tzw. konwekcji. Zjawisko te jest związane z przekazywaniem ciepła, przy czym w meteorologii o konwekcji mówimy w kontekście pionowych prądów powietrza. [ PŁB ]Prądy konwekcyjne odpowiadają za przenoszenie ciepła od powierzchni do wyższych warstw troposfery, wpływając na obniżanie temperatury powierzchni oraz ogrzewanie troposfery [ NAUKA O KLIMACIE 61]. W wyniku konwekcji może dojść do rozwoju chmur kłębiastych Cumulus i kłębiasto-deszczowych Cumulonimbus, określanych jako “chmury konwekcyjne”. Jednakże sama obecność tych pionowych prądów powietrza nie wystarczy, aby takie chmury się rozwinęły. Istotną rolę pełni chociażby odpowiednia ilość pary wodnej w powietrzu i różne procesy wspomagające. 

Aby burza mogła powstać, niezbędny jest szczególny typ konwekcji, określanej jako głęboka, wilgotna (ang. deep moist convection). Jak mawiał Charles A. Doswell, kluczowa do zaistnienia tej formy konwekcji jest obecność trzech czynników, a mianowicie wznoszenia, niestabilności atmosfery oraz wilgoci (ang. lift, instability and moisture). Zapewne to, co teraz czytasz brzmi dla Ciebie jeszcze dość skomplikowanie, jednak gwarantuje, że dalsza część tego opracowania, wszystko Ci wyjaśni i razem przebrniemy przez cały proces powstawania chmury Cumulonimbus krok po kroku. 

Gęstość powietrza, a więc wyporność

Wyobraź sobie patyk pływający na powierzchni wody. Próby utopienia go pójdą na marne, w przeciwieństwie do przykładowego kamienia, który po wrzuceniu do wody natychmiast zatonie. Dzieje się tak, gdyż przedmioty o gęstości mniejszej niż gęstość wody są wyporne i będą unosić się na powierzchni. [ZPE GOV]  Podobny proces związany z gęstością obserwujemy w powietrzu. Meteorolodzy do wytłumaczenia tego zjawiska, dość powszechnie korzystają z przykładu balonu. Zapewne każdy z nas widział lecący balon. Jego czasza jest wypełniona powietrzem, które jest podgrzewane palnikiem, zamontowanym poniżej. Dzięki podgrzewaniu powierza balon może się wznosić. Dzieje się tak, gdyż powietrze ulega rozprężaniu w wyniku rosnącej temperatury, cząsteczki zaczynają poruszać się szybciej [CUMULUS GESTOSC], a co za tym idzie maleje jego gęstość. Skoro powietrze wypełniające czaszę balonu ma mniejszą gęstość niż te, które je otacza, pojawia się siła wyporu[CMM IMGW] i balon może nabierać wysokości. Gdy przestaniemy używać palnika, temperatura w czaszy zacznie spadać, aż wreszcie wyrówna gęstość z otaczającym balon powietrzem, a ten zacznie opadać w wyniku siły grawitacji. Proste, prawda? 

Teraz pewnie zastanawiasz się, dlaczego Ci o tym wszystkim powiedziałem? Otóż jak już wcześniej wspomniałem, burze powstają w wyniku wznoszenia się wilgotnego powietrza. Aby powietrze mogło się swobodnie oraz wystarczająco długo wznosić i rozbudować chmurę na tyle wysoką, by była w stanie generować wyładowania, niezbędna jest owa różnica gęstości powietrza, a więc i temperatury. Jeśli jakaś porcja powietrza będzie pozostawać cały czas cieplejsza od tego, które ją otacza, będzie miała mniejszą gęstość i zarazem będzie wyporna, mogąc nabierać wysokości. By mogło się tak stać, w troposferze muszą panować odpowiednie warunki o czym przeczytasz w dalej części niniejszego opracowania. 

Wznoszenie

Zacznijmy od podstaw, a więc omówmy wszystko od dołu do góry, czyli dokładnie w ten sam sposób, w jaki rozwija się nasza chmura burzowa. Na początku musisz wiedzieć, że przy korzystnych warunkach do rozwoju chmur burzowych, w troposferze na pewnej wysokości znajduje się poziom od którego powietrze może się wznosić samoczynnie. Jest to tak zwany poziom swobodnej konwekcji, określany w skrócie jako LFC (ang. level of free convection) [ROZBUDOWA CHMUR CB]. Nie ma dla nas na razie znaczenia, na jakiej wysokości znajdzie się ten poziom, przyjmijmy, że będzie to dziś wysokość 1500 metrów nad powierzchnią. Co to znaczy, że od LFC powietrze może wznosić się samoczynnie? To znaczy, że uniesione powyżej tego poziomu (1500 metrów), będzie mogło pozostawać cieplejsze od powietrza, które je otacza. I tu warto wrócić do poprzedniego akapitu – cieplejsze, a więc mniej gęste i zarazem wyporne. Jeśli będzie pozostawać cieplejsze jeszcze przez kilka kolejnych kilometrów wysokości, będzie mogło wznieść się na wysokość niezbędną do rozwoju chmury Cumulonimbus, czyli przynajmniej w pobliże granic troposfery. 

Tutaj muszę Cię zmartwić, bo to dopiero początek naszej przygody. Korzystne warunki do wznoszenia się powietrza w troposferze to jedno, jednak powietrze musi w jakiś sposób trafić w warstwę powyżej poziomu LFC. W jakiś sposób trafić, a więc musi pojawić się mechanizm lub mechanizmy, które uniosą powietrze zalegające bliżej powierzchni i zapoczątkują wznoszenie się powietrza [mik 2009]. Jeśli więc w troposferze istnieją korzystne warunki do wznoszenia, ale nie pojawią się mechanizmy, które wystartują naszą cząstkę powietrza, burze się nie rozwiną. Odwrotnie, obecność tych mechanizmów nie spowoduje burzy, jeśli wyżej w troposferze powietrze nie będzie się mogło samoczynnie wznosić. 

Mechanizmy inicjujące wznoszenie

Skupmy się teraz bardziej szczegółowo na tym, w jaki sposób nasza cząstka może wystartować. Pierwszym z mechanizmów, który może zainicjować wznoszenie jest nierównomierne nagrzewanie się podłoża. Gdy w bezchmurny dzień mamy do czynienia z tzw. insolacją, czyli nasłonecznieniem, w zależności od rodzaju i pokrycia podłoża, powierzchnia nagrzewa się nierównomiernie. Przykładem takiego poziomego zróżnicowania temperatury może być las występujący w sąsiedztwie gęstej zabudowy miejskiej. Powierzchnia oddaje ciepło, w wyniku czego ogrzewana jest przyziemna warstwa powietrza. Cząstki, które zyskają wyższą temperaturę staną się wyporne i zaczną wznosić się w wyniku różnic temperatury. Mówimy wówczas o tzw. termice wypracowanej. [ MIK ZRODLO ] 

Insolacja jest bardzo ważna, a często wręcz niezbędna aby burze mogły się rozwinąć. Jednakże burze stosunkowo rzadko są inicjowane przez same nagrzanie się podłoża, pomimo niekiedy bardzo korzystnych warunków w troposferze. Wielokrotnie potrzebny jest współudział innych mechanizmów lub duży zasób wilgoci w granicznej warstwie troposfery (0-1 km). 

Kolejnym z mechanizmów może być adwekcja chłodu w środkowej troposferze. Adwekcja to nic innego jak napływ chłodnego powietrza powyżej warstwy granicznej, który skutkuje pojawieniem się różnicy temperatur, a więc i gęstości między cieplejszym powietrzem zalegającym bliżej ziemi, a gęstym i chłodnym napływającym powyżej. W wyniku tego cieplejsze i lżejsze powietrze zaczyna się wznosić. W ten sposób rozwija się termika naniesiona. [MIK ZRODLO] 

Adwekcja chłodu następuje za frontem chłodnym lub frontem okluzji. Burze powstałe w tych warunkach, określa się mianem burz adwekcyjnych. 

Wznoszenie może zostać również zapoczątkowane przez obecność frontu atmosferycznego. Fronty to linie oddzielające dwie zróżnicowane masy powietrza. Zderzanie się ze sobą mas o różnej temperaturze sprawia, że cieplejsza z nich będzie dążyć do wznoszenia. Burze powstają 

Obecność frontów wiąże się w niżami, jednak specyficznymi granicami chłodnego powietrza mogą być. 

Stany równowagi atmosfery, a więc niestabilność

CAPE i przykład wojny

  • Wykorzystane źródła:
  • M. Wickson, Meteorologia Szkolenie samolotowe EASA wydanie 2, tłum. A. Kalinowska-Jamróz, PILEUS, 2017.
  • K. Kożuchowski i in., Meteorologia i Klimatologia, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
  • U. Kossowska-Cezak, E. Bajkiewicz-Grabowska, Podstawy Hydrometeorologii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2009
  • A. Woś, Meteorologia dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1997
  • Schultz, D. M., P. N. Schumacher, and C. A. Doswell III, 2000: The intricacies of instabilities. Mon. Wea. Rev., 128, 4143-4148.
  • https://www.noaa.gov/jetstream/atmosphere/layers-of-atmosphere [06.06.2024]
  • https://lowcyburz.pl/2011/08/17/rodzaje-burz/
  • https://zpe.gov.pl/a/mniejsze-nie-zawsze-jest-lzejsze/D10BXuEgX