Mroźne ciepło

Śnieg, lód i mróz, tak jak burze, trąby i ulewy są oczywiście w Polsce tematem sezonowym. Problemem jest tylko dobre trafienie na prasowe otwarcie tego sezonu. To znaczy - na koincydencję doniesień ze zjawiskiem. Co pisać, raczej wiadomo: że zima znów zaskoczyła wszystkie służby. Ale i tak się cieszymy, bo zaśmiecony kraj znacznie lepiej wygląda przysypany białym puchem. W tym roku zawieje i zamiecie, obfite opady śnieżne i trochę mrozu pojawiły się na chwilkę w połowie października. Dzienniki zdążyły skomentować to "niezwykłe" zdarzenie, tygodniki już nie.

Bo wróciło, normalne w ostatnich latach globalnego ocieplenia, polskie przedzimie, czyli szaruga jesienna. W połowie listopada dniem temperatura powietrza sięgała 10 st. C, nocą bywały słabe przymrozki, śnieg tylko w górach, mżawka, nawet czasami słońce, co w listopadzie jest ewenementem. Mieliśmy jeden z najcieplejszych listopadów od setki lat.

Kiedy będzie zima? Można odpowiedzieć, tak jak na słynne pytanie o lepsze czasy: już była. Więc czemu spadło tyle śniegu w październiku? Otóż to, czy podczas wspomnianego przedzimia spadnie śnieg czy deszcz, zależy od kaprysu chmury Nimbostratus, która zawsze sypie śniegiem, i problem polega na tym, czy ów śnieg zdąży się po drodze stopić. To zagadka zbliżona do pytania o czas potrzebny na odmrożenie dorsza.

Może już nie być dobrej okazji do drugiego otwarcia śnieżnego sezonu 2009/10. Sypnijmy zatem garścią śnieżynkowych facecji.

Wspomnienie sanny

Na Mazowszu, Kujawach i w Małopolsce co parę kilometrów można dojrzeć ślady siedzib polskiej szlachty. Rzadko pałace, częściej dwory, a najczęściej dworki, zwykle w otoczeniu resztek parków i ogrodów. Większość raczej skromna. Patrząc na tę dość regularną sieć, warto zapytać o przyczyny tak równomiernego rozmieszczenia siedzib, przy oczywistych przecież różnicach: krajobrazu, gleb, zasobów finansowych, historii rodów szlacheckich, odległości od miast, rzek i ważnych traktów. Otóż znaczącym regulatorem maksymalnej odległości dworu od dworu była... pokrywa śnieżna. Pomiędzy takim Sikorzem nad Skrwą Prawą a Srebrną nad Wierzbicą na Mazowszu Płockim odległość jest nie większa niż ta, którą można pokonać w obie strony w ciągu krótkiego dnia zimowego przy kopnym śniegu. Konno, saniami, a nawet pieszo, brnąc przez zaspy. Z trudem także nocą przy świetle łuczyw, których dźwigany zapas starczał na kilka godzin.

W śniegu po pas idzie się z prędkością kilometra na godzinę, proszę sprawdzić w styczniu pod Wiżajnami. Taka konieczność zdarzała się nieraz, zwykle w obliczu nieszczęścia, ale też nagłej radości, którą nie sposób było nie podzielić się z sąsiadami. Mieszkańcy dobrze się orientowali, w których miejscach zawieje i zamiecie śnieżne usypały zaspy nie do pokonania, a gdzie będzie się dało iść. Na starych mapach zaznaczano drogi zimowe, alternatywy dla szlaków wykorzystywanych w cieplejszych sezonach. W miarę bezpieczny był las, jeśli nie było wiatru i okiść nie spadała na głowy. Ale najlepsze były otwarte, dobrze zamarznięte tereny bagienne, z których wiatr wywiewał śnieg i gdzie kierunek marszu był dobrze widoczny. I tak śnieg wyznaczał tryb podtrzymywania wspólnoty szlacheckiej.

Czy rzeczywiście w tamtych czasach zima nie nadawała się do dalszych podróży? Było to wyzwanie dla silnych i młodych, związane z trudami, poświęceniem i kosztami. Poczytajmy o peregrynacjach naszych przodków z przełomu XVIII i XIX wieku. Pojawiło się wtedy wiele powodów do zmieniania miejsca. Wspomnienia podróżnych przemieszczających się zimą z Krakowa lub Warszawy do Lwowa i Wilna, a zwłaszcza z Wilna do Lwowa, przypominają wyprawy polarne. To były czasy, kiedy na polskich ziemiach mieliśmy jeszcze jedną porę roku - sannę.

Środkowa Polska, a już na pewno wschodnia, pokryta była od połowy listopada do połowy lub końca marca trwałym śniegiem, który parował, nadtapiał się od góry, gęstniał i twardniał, ale nie znikał. Co najmniej 20-centymetrowa warstwa otulała pola, drogi i dachy. Jedynym środkiem komunikacji były sanie. Odwilże poznać można było najwyżej po soplach skapujących z południowych połaci dachu. Na ziemi nie czyniły zmian. Śnieg, odbijając prawie w całości słoneczne promienie, nie dopuszczał do ocieplenia. Zwłaszcza nocą nadal było chłodno. Grzały się tylko zimujące rośliny i zwierzęta żyjące w glebie i w norach pod śniegiem. Zima trwała, bo śnieg ją utrwalał. Śnieg trwał, bo był wystarczająco miąższy, by przetrwać odwilże. Ocenia się, że pokrywa śnieżna obniża średnio temperaturę o parę stopni. Obniża, jeśli jest. Oto stara prawda o sannie.

Synestezja

Bukoliczne krajobrazy z dachami i kopcami siana przykrytymi czapami śniegu, z okapami wiszącymi nad rwącym ruczajem, z mirażem drżącym nad lodową taflą jeziora, każą przerwać opowieść o śniegu jako zjawisku fizycznym. Przecież śnieg jest cichy, ciepły, pachnie świętami, otula, łagodzi, kryje błędy i gromadzi bogactwo. Śnieg skrzypi, szumi, mruczy, zapada się i wznosi, lśni, iskrzy i rozmazuje cienie. Śnieg ma oczywiście barwy. Czy potrafią Państwo patrzeć na zachodzące (można też na wschodzące) słońce nad równomiernym polem pokrytym śniegiem? Trzeba się nieco pochylić, może nawet lec na śniegu. Nierównomierności śnieżnej pokrywy i wystające nad nią krańce kryształków powodują, że pomarańcze, purpury i fiolety słonecznej poświaty wędrują po białym polu jak błędne ogniki na bagnach. Szkoda, że nie można tak leżeć długo, a zjawisko jest krótkotrwałe.

Śnieg budzi dziesiątki innych synestezyjnych skojarzeń. Okiść na jodle kojarzy się z jadłem, koleiny wgniecione w śniegu mówią o bliskości domu. Śnieg raczej nie wywołuje grozy, nawet niepokoju, chociaż i w Polsce znane są lawiny. A ponieważ jest emanacją czystości i nieskazitelności, zwykle przywołuje skojarzenia estetyczne: tren, ciepła kołdra itp.

Kojarzenie wrażeń różnych zmysłów wynika z tego, że śnieg jest tłem do ważnych zdarzeń, podniosłych uczuć i odważnych działań. Przecież jest zawsze na zewnątrz, w terenie, jeśli pada - to długo i obficie, jeśli leży - to zmienia świat na dłuższy czas, samemu także się zmieniając. Bo ostatecznie śnieg jest symbolem przemijania. Woda zgromadzona w jeziorze może przetrwać parę tysięcy lat, w gruncie jeszcze dłużej, nawet w beczce z deszczówką może postać rok i więcej. Śnieg nie zostaje. Paruje, topnieje lub... zamienia się w lód.

Co pada

Śnieg to tylko jeden z kilku rodzajów opadu stałego. Przy okazji wspomnijmy, że opad ciekły występuje tylko w dwóch postaciach: deszczu i mżawki. Mżawka, czyli dżdż (uwaga - rzadkie polskie słowo bez samogłoski), niesie kropelki drobne, o średnicy poniżej pół milimetra, a deszczowe mogą być nawet półcentymetrowe.

Najpiękniejszym z opadów stałych jest pył diamentowy. To igły lodowe świecące w słońcu i bardzo powoli opadające przy szczególnie niskich temperaturach. Zupełnie inne są krupy śnieżne, które dzielą się na miękkie i twarde. To bezpostaciowe kryształki lodowe, powstałe w warunkach szybkiej krystalizacji i przy co najmniej pojedynczej fazie obtapiania się dendrytów. Dlatego nie zawierają ostro zakończonych ramion. Gdy są silnie skupione, zwą się twardymi i wtedy skaczą po ziemi jak piłeczki pingpongowe. Krupa miękka raczej przylega do podłoża, gdyż jest puszysta i zwykle bardziej wilgotna.

Śnieg ziarnisty z kolei to maleńkie pigułki tworzące się w chmurze Stratus. Może też padać deszcz lodowy, czyli owalne bryłki lodu powstałe w efekcie zamarzania kropli deszczu. Złożoną budowę ma grad. To koncentryczne warstwy lodowe tworzące dużych rozmiarów kulę. Grad rodzi się tylko w chmurze Cumulonimbus, czyli burzowej, gdyż wymaga wielokrotnego cyklu wzrostu podczas wznoszenia się i opadania. A więc potężnych prądów wstępujących.

Śnieg jest zgromadzeniem pojedynczych lub złączonych w konglomeraty kryształów wody, które - jak wiadomo - mają heksagonalny układ krystalograficzny. Sześć ramion kryształu tworzy niepowtarzalne symetryczne kształty o fantazyjnych odgałęzieniach, kątach, łukach, cięciwach, otworach. Kształt kryształków silnie zależy od temperatury powietrza, w którym powstają. Najpiękniejsze gwiazdki śniegowe powstają w przedziale temperatur ujemnych 15-22 st. C, co przecież nie jest silnym mrozem, zwłaszcza na znacznych wysokościach. Przy niższych temperaturach rodzą się słupki, powoli opadające z równoległym ułożeniem osi. To początek tajemnicy tworzenia się zjawiska halo, o czym może kiedy indziej.

Nie ma dwóch takich samych śnieżynek, tak jak nie ma dwóch tak samo upierzonych samców bataliona, ptaka naszych ocalałych bagien. Oto potęga natury!

Śnieg zasadniczo zmierza z chmury do ziemi. Ale jest lekki i wiatr może go przenosić poziomo na duże odległości. Może się to odbywać raptownie, wtedy mówimy o zawiei śnieżnej. Ale śnieg może być także porywany z ziemi, przecież nie przylega do niej mocno. Wtedy takie zjawisko nazywamy zamiecią. Najgorzej jest, gdy jednocześnie pada i wieje przy zalegającej pokrywie. Zawieja miesza się z zamiecią. Nic nie wiadomo i nic nie widać.

Oczywiście takiego opadu nie sposób zmierzyć. Śnieżynki nie mają chęci wpaść do deszczomierza, wiatr może je z niego wywiać, może też nawiać w szczególnych okolicznościach. Dlatego raczej mierzymy warstwę nagromadzonego śniegu i przeliczamy, ile jest w nim wody. Jest zawsze objętościowo mniej niż wody powstałej z tego śniegu. Świeżutki, suchy śnieg może mieć gęstość nawet 10 miligramów/cm3 , przeciętnie od 50 do 100, ale zleżały, parę razy topniejący i zamarzający, ma już około 0,3 g/cm3, zaś topniejący - nawet pół grama masy w centymetrze sześciennym.

Narciarze oraz odpowiedzialni za ochronę przed lawinami, czyli najpoważniejsi specjaliści, wyróżniają około setki gatunków śniegu zalegającego teren po opadach. Oto fragmencik tej mało znanej terminologii: puch świeży - to dopiero co spadły w temperaturze poniżej 3 st. C sypki i miękki śnieg, ostro odbijający promienie słoneczne, zmieniający się po paru dniach w puch zsiadły. Śnieg mokry tworzą opady śnieżne przy temperaturze bliskiej zera - to najlepsze tworzywo bałwanów i piguł. Pod wpływem wiatru z puchu tworzą się różne gatunki śnieżnego gipsu; gips przewiany jest kruchy, może zsuwać się po stoku dużymi płatami, gips zbity ma twardą powierzchnię, często zeszkloną i ściśle związaną z mniej zwartą resztą pokrywy. Szreń tworzy się zwykle w wyniku krystalizacji na powierzchni pokrywy śnieżnej szronu i szadzi, to znaczy przy silniejszym wietrze. Kolejną fazą może być lodoszreń, gdy powierzchnia parokrotnie zamarza i odmarza. Najdłużej leżący śnieg, zwłaszcza ten, który potrafi przetrwać do kolejnej zimy, stopniowo zmienia się w firn, a następnie w lód lodowcowy. W naszych Tatrach dziś zjawisko takie już nie zachodzi.

Pokrywa śnieżna odróżnia się od wody bardzo niewielkim przewodnictwem cieplnym, jest lepszym izolatorem niż samo powietrze, gdyż jest praktycznie w bezruchu. Śnieg ma przewodnictwo cieplne czterokrotnie niższe od suchej gleby i kilkakrotnie niższe od wilgotnej. Mała gęstość śnieżnego puchu, a więc znacząca zawartość powietrza w pokrywie, daje pewną szansę przeżycia zasypanym lawiną.

Dwie z tysiąca tajemnic

Dlaczego woda ma największą gęstość w temperaturze 4 st. C? Prosta odpowiedź: bo gdyby tak nie było, lód na morzach, jeziorach i rzekach by nie pływał i, opadając na dno, niszczyłby wszystko, co żyje. Do samego dna zamarzają tylko niektóre kałuże oraz płytkie jeziora bagienne na Syberii. Tam co roku od nowa rodzi się życie. Jakież wspaniałe teatrum dla biologa. Oczywiście, odpowiedź powyższa nie satysfakcjonuje dociekliwego. Trudno. Innej racjonalnej odpowiedzi nie ma.

Druga tajemnica jest głębsza, a odpowiedź podobnie niepełna. Dotyczy procesu wzrostu kryształków lodu w chmurze, czyli raptownej sublimacji: zamiany pary wodnej w lód. To sedno powstawania opadów, w tym opadów stałych. Cud rodzenia się śniegu.

Większość opadów na Ziemi powstaje w tzw. chmurach chłodnych, a więc takich, w których występują zarówno kropelki wody, jak i kryształki lodowe. Kropelki wody są zwykle silnie przechłodzone. Zarówno kryształki, jak i kropelki nie mogą dalej szybko rosnąć, bo ich tempo opadania jest małe i zbliżone, a więc możliwość łączenia się metodą zderzeń jest niewielka. Szybki wzrost kryształków kosztem kropelek jest możliwy dzięki temu, że maksymalne, czyli nasycające, ciśnienie pary wodnej nad kropelkami jest wyższe niż nad kryształkami. W temperaturze około -10 st. C różnica ta wynosi około ćwierć hektopaskala. Tak więc, jeśli w górnych częściach chmury jest taka mieszanina przy temperaturach poniżej zera, kryształki szybko rosną kosztem kropelek. Pojawiają się konglomeraty śnieżne, cięższe, szybciej opadające, po drodze wciąż rosnące. Albo dosięgają ziemi (śnieg) albo topią się, by spaść jako deszcz.

Oczywiście proces jest znacznie bardziej skomplikowany. Zasadnicza, wielka tajemnica atmosfery została jednak wyłuszczona. Bo niby dlaczego to ciśnienie nasycające jest różne, dlaczego największa różnica przypada na warunki panujące w chmurach mieszanych i czemu różnica zachodzi w tę korzystną stronę? Zanurzając się w szczegóły fizyki atmosfery, jak i geofizyki w ogóle, coraz trudniej nam uwierzyć, że tak złożone dzieło - jak Ziemia - może mieć gdzieś we wszechświecie bliźniaka.

Czekając na bożonarodzeniową biel

Pokrywa śnieżna w Polsce może się pojawiać od października do kwietnia, czasami nawet do maja. Jest jednak czasowo bardzo zmienna i przeciętna liczba dni z pokrywą śnieżną jest zdecydowanie mniejsza od wspomnianego potencjalnego jej trwania. Mamy bowiem zawsze długie i liczne odwilże, kiedy śnieg praktycznie całkowicie zanika. Nawet w Olecku, gdzie lokowany jest polski biegun zimna, w ostatnich kilkudziesięciu latach potencjalna liczba dni z pokrywą śnieżną wynosi około 140, a rzeczywista 90. W miarę przesuwania się ku zachodowi wartości te się obniżają, by w ostatnich latach spaść poniżej 30. W Słubicach na granicy z Niemcami od paru lat nie występuje trwała pokrywa śnieżna. Także grubości pokrywy śnieżnej, niegdyś maksymalnie sięgające na Suwalszczyźnie 80 cm, są dziś skromne. Tylko na Kasprowym Wierchu wciąż notujemy prawie 200 dni z pokrywą śnieżną w roku, a w lutym, kiedy jest go najwięcej, ma ona półtora metra.

Z danymi tymi wiąże się kolejny poważny problem przyszłości klimatycznej naszego kraju. Wyraźnie zmniejszający się zapas wody gromadzony w polskich śniegach, obecnie już mniejszy niż przeciętne miesięczne sumy opadów, powoduje istotne zmiany w zasilaniu rzek, a także wód gruntowych. Wiosny stają się suchsze, co nie pozostaje bez wpływu na kondycję dotychczas uprawianych roślin. I chodzi tu nie tylko o kurczące się możliwości uprawiania ozimin, ale też o dobry wzrost innych kultur wymagających wysokiej wilgotności gleby. Roztopy, jeśli w ogóle występują na nizinach, nie zapewniają jej w dostatku. A więc tematem ważniejszym niż pierwszy śnieg jest woda dla rolnictwa.

Nie można sobie wyobrazić życia na Ziemi bez zamarzania wody. Tak jak nie można sobie wyobrazić życia bez jej parowania. Ten stały obieg wywołujący kolosalne przemieszczania się energii jest niezawodnym motorem i jednocześnie oczyszczalnią wody. Przecież śnieg, mżawka i deszcz wyłapują z atmosfery ogromne objętości zanieczyszczeń naturalnych i sztucznych. Dostarczają je do gleby, gdzie przeróżne procesy geochemiczne i te z udziałem biosfery powodują ich uwięzienie i neutralizację. Ogromne połacie lodowe w okolicy biegunów są potężnymi generatorami zachodniej cyrkulacji powietrza wokół antycyklonów. Lądolody uwięziły biliony ton wody, która stopiona spowodowałaby powstanie portu morskiego w Toruniu. Bez inicjujących kryształków lodu nie byłoby wystarczających opadów, a więc także naszego życia.

***

Zatem jeśli śnieg w październiku budzi zdziwienie, to pewnie zdziwienie budzić powinno też ciepło w listopadzie. Gwałtowne wtargnięcia chłodnego powietrza na przedpolu intensywnych cyklonów, czyli niżów atlantyckich, to po prostu jeszcze jeden dowód przebudowy systemu klimatycznego. Takie początki zimy są dobrze znane z północnoamerykańskich równin, gdzie zmiana kierunku napływu powietrza oznacza zmianę suchych i ciepłych dni w śnieżną zawieruchę.

Paradoksalnie, zjawiska takie można kojarzyć z globalnym ociepleniem, którego atrybutem jest nie tylko wyższa temperatura w ogóle, ale też większa dynamika atmosfery, w tym także silne śnieżyce, grad, obfite osady szronu itd. Niewiele brakuje, by chłodna chmura dała śnieg zamiast deszczu. To ten sam proces. Można natomiast zaryzykować stwierdzenie, że sanna staje się wspomnieniem. Dynamiczna atmosfera, w naszych szerokościach praktycznie tożsama z cyrkulacją cyklonalną rodzącą niże północnoatlantyckie całymi rodzinami kierujące się na wschód, nie dopuści do utrzymania się grubej pokrywy śnieżnej. Stopi ją nie podwyższona temperatura, lecz ciepłe deszcze, które są najskuteczniejszym jej likwidatorem. Podczas niegdysiejszej sanny utrzymywało się nieco podwyższone ciśnienie, a więc pogoda słoneczna, lekko mroźna, bezdeszczowa.

Śnieg mógł przetrwać.

Początek grudnia 2009

Dr WITOLD LENART jest klimatologiem, wicedyrektorem Centrum Badań nad Środowiskiem Przyrodniczym UW. Stale współpracuje z "Tygodnikiem Powszechnym".