Pogadanka z piorunami

Podczas ekspedycji na Pustyni Gobi mieliśmy w zespole amatora maratonu. Wybiegał na parę godzin, hen, w pustynię. Pewnego dnia wrócił znacznie później, słaniając się i siniejąc od stóp po szyję. Trzy dni przeleżał obolały. Okazało się, że z dala od bazy wbiegł pod potężną chmurę burzową. Ta wydała grad wielkości mirabelek. Niedoszły olimpijczyk, nie mając się - jak to na pustyni - gdzie schronić, ukrył głowę w norze tarpagana, wystawiając raz jedną, raz drugą stronę ciała na gradowe biczowanie. A tarpagan, czyli gobijski świstak, starał się go z tej nory wypędzić, używając ostrych siekaczy. Nieszczęśnikowi i tak się upiekło: latem w Mongolii zdarzają się burze z gradem o wielkości renklod. Tarpagany o tym wiedzą, maratończycy chyba nie.

Burze inspirują. Szekspir, Defoe i Mickiewicz, Ajwazowski, Fałat i Ruszczyc, Beethoven, Haydn i Grieg to tylko nieliczni z ich piewców. Fantazja symfoniczna Czajkowskiego "Burza" trwa 24 minuty, czyli tyle, ile przeciętnie nasz kontakt z prawdziwą burzą. Składa się z genialnego muzycznego opisu poszczególnych jej faz. Czajkowski skomponował ten utwór, inspirując się Szekspirem, ale zapewne też naturą. Stworzył go bowiem niezwykle szybko: w ciągu kilku dni roku 1873.

Nadchodzi

Błękit nieba stopniowo ciemnieje, mimo że słońce niemiłosiernie doskwiera. Nad zachodnim horyzontem pojawiają się fibry, smugi i pióropusze chmur pierzastych. To frędzle połączone z potężnym kowadłem, czyli najwyższą częścią chmury burzowej. Przez kilkanaście minut widać, jak iskrzą się w słońcu na podobieństwo monstrualnej purchawy. Potem przesłania je ciemna, czasem wręcz czarna, dolna część chmury.

Jeśli jesteśmy na otwartej przestrzeni i wciąż dziarsko postanawiamy obserwować groźne i piękne zjawisko, widzimy, że podstawa chmury prawie sięga podłoża, a wygięta dzięki perspektywie część frontalna zbliża się złowrogim łukiem. Wiatr się wzmaga, najpierw ciągnie ku chmurze, potem, już blisko skłębionych czeluści, w porywach wieje przeciwnie. Jeszcze nie ma błyskawic ani pomruków grzmotów. Jeszcze nie pada.

Nagle, po zaledwie kilku wielkich pojedynczych kroplach, zaczyna lać. Krople lecą ukośnie, strumienie zwijają się jak z rozregulowanej polewaczki. Niczego już nie widać. Słychać pierwsze grzmoty. Są prawie równoczesne z błyskawicami. Znak, że jesteśmy pod centralną częścią chmury. Nagle robi się jaśniej. Od gradu. Potem równie nagle - ciemniej. To trąba porywająca wszystko, co leży na ziemi. Na szczęście omija nas, raptownie skręcając. Teraz pada rzęsiście. Na szczęście pionowo, więc dobre parasole stają się znów przydatne.

Deszcz ustaje. Grzmoty się oddalają. Widać znów pierzastą koronę wciąż aktywnej, oddalającej się burzy. Cichutko rozsuwa się draperia tęczy, wiatr wieje znów ku odchodzącej chmurze. W wiadrze zebrało się pięć litrów wody, a w misce powoli topnieją lodowe grudy. Wdychamy świeżą parę wodną i ozon, a pies wyczołguje się spod wozu...

Najprostsza fizyka burzy

Burzę rodzi najpotężniejsza z chmur: Cumulonimbus (Cb). Aby powstał, musi nastąpić widowiskowy rozwój jej poprzedniczki, chmury Cumulus (Cu). Cztery jej rodzaje to białawe lub szare strzępy szybko zmieniające formę - fractus, urocze baranki - humilis, kopce lub nadęte pierzyny - mediocris i kalafiorowate, szybko rosnące wieże - congestus. Ta urocza rodzina może występować na niebie wspólnie, może się też ograniczać do najmłodszego potomstwa - chmur pięknej pogody, czyli Cumulus humilis. Tych płaskich obłoków nie ma się co obawiać, nie towarzyszą im silniejsze ruchy wstępujące. Powstają one wtedy, gdy warstwa powietrza poniżej poziomu kondensa­cji jest chwiejna, natomiast ponad nim - stała. Baranek zanika przeciętnie po 20 minutach. Nigdy nie daje deszczu. Cumulus mediocris ma zbliżone rozmiary poziome i pionowe. U szczytu można zauważyć pęczniejące bugry, podstawa jest wyraźna, ciemnieje. Może się z niej rozrosnąć brokułowaty Cumulus congestus. Ma się wrażenie, że z chmury wyskakują duże bąble powietrza, nadając jej górnej części warzywny wygląd. Chociaż czas trwania każdego z owych bąbli jest krótki, powstają wciąż nowe, powodując wzrost chmury. To już ostrzeżenie przed burzą. Poniżej poziomu kondensacji istnieje gruba warstwa powietrza o chwiejnej równowadze. Jeśli warstwa taka jest dostatecznie gruba, chmury Cu con mogą przekształcić się w burzowe (Cb). W średnich i wysokich szerokościach geograficznych chmury takie sięgają poziomu, na którym panują temperatury poniżej 00 C. Górna ich część składa się wówczas z kryształków lodowych lub z mieszaniny kryształków i kropelek. Rodzą najczęściej ulewy lub śnieżyce. Dobrze rozwinięta chmura Cb niesie grad, błyskawice i trąby.

Burze powstają w pojedynczych chmurach Cumulonimbus lub ich skupiskach. Zjawiska burzowe występują tylko wtedy, gdy duże masy wody w stanie zarówno ciekłym, jak i stałym zostaną wyniesione do pułapu, na którym panują temperatury znacznie poniżej -200 C. Wymaga to, by powietrze u dołu było ciepłe i wilgotne. Duże masy skroplonej wody mogą dostać się na znaczną wysokość wówczas, gdy rozwijają się silne prądy wstępujące, zatem burze powstają jedynie wtedy, gdy istnieje bardzo duży pionowy gradient (spadek) temperatury w grubej warstwie powietrza.

Burze często występują w pewnych określo­nych warunkach, mówimy więc o burzach wewnątrzmasowych, liniach burzowych i burzach frontalnych. Pojedyncze burze powstają w obrębie dość jednolitej masy powietrza. Tworzą się tam, gdzie spadek temperatury z wysokością się zwiększa w wyniku dziennego nagrzania podłoża przez słońce. Najczęściej przypadają więc na godziny popołudniowe, na porę obiadową.

Linie burzowe to kolejne chmury burzowe uporządkowane w wąskie pasma lub szlaki zgodne z kierunkiem wiatrów dolnych. Mogą powsta­wać w każdej porze dnia, ale najczęściej właśnie w go­dzinach popołudniowych.

Wzdłuż frontu atmosferycznego, zwłaszcza chłodnego, czyli pochyłej warstwy rozdzielającej powietrze chłodne następujące na cieplejsze, mogą także powstawać burze frontalne. Poruszają się wraz z frontem i mogą pojawiać się w każdej porze doby. Takie burze zazwyczaj budzą nas nocą.

Jak działa chmura

Chmura burzowa żyje krótko: jej cykl rozwojowy trwa jedną do dwóch godzin. Na początku chmura taka jest cieplejsza od powietrza na zewnątrz. Występuje w niej więc znaczne przyspieszenie ruchu skierowane ku górze. Prędkość wznoszenia rośnie wraz z wysokością i chmura rozbudowuje się szybko do poziomu, gdzie temperatura spada poniżej zera. W tym czasie w chmurze gromadzi się dużo kropelek chmurowych, deszczowych oraz płatków śniegu. W pewnym momencie wody gromadzi się tak dużo, że prądy wstępujące nie mogą jej już udźwignąć. Tarcie spadającej wody powoduje zmianę prądów wstępujących w zstępujące i zaczyna się gwałtowna ulewa zwiastująca dojrzałe stadium chmury. Silne prądy wstępujące i zstępujące są obok siebie. Taki prąd zstępujący dociera do ziemi zazwyczaj nagle, w postaci gwałtownych porywów. Prądy zstępujące za­czynają przeważać nad wstępu­jącymi i rozpoczyna się stan rozpadu chmury. Po pozbyciu się przez chmurę zapasu wody natężenie deszczu maleje, a chmura czasami zani­ka, czasami zaś rozdziela się na nieregularne strzępy oraz wachlarz chmur pierzastych na górze.

Jeśli burza składa się z grupy chmur, każda jest w innym stadium rozwoju. Zwykle jest ich trzy do sześciu. Jest tam stara chmura burzowa, w której występują już tylko prądy zstępujące. Rozwija się też młoda - ma wy­łącznie prądy wstępujące. Pozostałe komórki odpowiadają stadium dojrza­łemu, w którym obok siebie istnieją jedne i drugie prądy. Oczywiście nad nasze pole obserwacji mogą dotrzeć kolejno same chmury dojrzałe. Stwierdzono, że nowe komórki często powstają po przedniej stronie prądu zstępującego starych chmur, dzięki czemu grupa chmur burzowych odradza się w części czoło­wej, podczas gdy stare komórki z tyłu ulegają rozpadowi. To rodzaj autocyrkulacji, samowspomagania się burzy. Dlatego grupa chmur żyje o wiele dłużej aniżeli pojedyncza. Nieznający tych praw obserwator odnosi wrażenie, że ma do czynienia z bardzo żywotną burzą.

Sto milionów woltów

Wlatujemy do wnętrza Cumulonimbusa. Widzialność praktycznie jest równa zeru. W Cb jest zwykle ponad gram wody w metrze sześciennym - jak w najgęstszej mgle. Wiatr jest bardzo pory­wisty, a ponieważ blisko sąsiadują tu ze sobą prądy wstępujące i zstę­pujące, to zmiany kierunków porywów są bardzo częste. Powoduje to silne rzucanie samolotem. Nagłe obniżenia lotu oraz pochylenia wywołane różnicami kierunku prądów pionowych w sąsiedztwie skrzydeł mogą doprowadzić do katastrofy. Powyżej poziomu zamarzania samolot może ulec silnemu oblodzeniu, choć ilość nagro­madzonego przy tym lodu nie jest zazwyczaj wielka. Zdarzało się, że w chmurze Cb znalazł się spadochroniarz. Jeśli otworzył spadochron, ma niewielkie szanse przeżycia. Prądy wstępujące wynoszą go tysiące metrów ku szczytom chmury, potem spada, by ponownie się wznieść. Pokrywa go warstwa lodu. Jedyną radą jest uwolnienie się od spadochronu i otworzenie pod chmurą zapasowego. Podobne zagrożenie dotyczy lotniarzy. Umykamy.

Krople deszczu spotyka się aż do wysokości około 8 km, czyli do 3 km powyżej poziomu zamarzania. Dzieje się tak, bo silne prądy wstępujące mogą podnieść nawet krople o średnicach paru milimetrów.

Trzeba wzmocnić dachy, przestać budować domy w dolinach, które mogą zebrać wodę z nawalnych opadów, i ubezpieczyć się. Można kupić solidniejsze parasole.

W chmurach słabo wypiętrzonych wyładowania elektryczne są rzadkością. Gdy temperatura ich wierz­chołków osiągnie około -28 st. C, stają się potężnym akumulatorem. Centrum ładunków dodatnich leży w pobliżu izotermy -200 C. Poniżej, pomiędzy izotermą 0 a -100 C, jest ośrodek ładunków ujemnych. Pierwsze wyładowanie zachodzi pomiędzy nimi. Czasami drugie centrum ładunków dodatnich pojawia się u podstawy chmury. Najwięcej wyładowań powstaje w obszarze prądów zstępujących i silne­go deszczu. Możliwe są także od szczytów chmur ku górze.

Przeciętne napięcie wyładowań w chmurze burzowej wynosi sto milionów woltów. Natężenie - kilkadziesiąt tysięcy amperów. To fantastyczne, ale i groźne zjawisko wymaga oczywiście znacznie dokładniejszych wyjaśnień. Choćby dlatego, że około półtora tysiąca ludzi ginie rocznie od piorunów, a dziesięciokrotnie więcej zostaje porażonych, z różnymi skutkami zdrowotnymi.

Wypada zdradzić jeszcze jedną z tysiąca tajemnic burz. Badając rozkład ciśnienia atmosferycznego w pobliżu grupy chmur burzowych, często można stwierdzić istnienie pod nimi miniaturowego wyżu barycznego, czyli strefy podwyższonego ciśnienia. Zajmuje on przede wszystkim obszar objęty prądami zstępującymi. Na krańcach tego obszaru tworzy się rodzaj frontu burzowego zwany linią nawałnic. Tutaj kieru­nek wiatru zmienia się gwałtownie, tem­peratura spada, a ciśnienie raptownie wzrasta. Linie nawałnic są często tak krótkie, że trudno je odnaleźć na mapach pogody. Występują najczęściej wiosną i latem. Towarzyszą im często gradobicia, a czasami trąby powietrzne. Takie zjawiska obserwowaliśmy w Polsce tego roku.

U nas i gdzie indziej

Codziennie na Ziemi rodzi się kilkadziesiąt tysięcy Cumulonimbusów powodujących burze. Rozbłyskają miliony błyskawic i spada sto tysięcy ton gradu. Dociera do ziemi dużo ponad sto tysięcy kilometrów sześciennych wody z deszczu i lodu, czyli dwa tysiące razy więcej, niż w Polsce spada przez cały rok. Trąby powietrzne trudno zliczyć, bo to zjawiska bardzo lokalne. Statystyk tęcz się nie prowadzi. Szkoda.

W Polsce burze mogą występować w każdej porze roku, jednak wyraźnie najczęstsze są latem. Liczba burz w trzech miesiącach letnich stanowi ponad połowę ich sumy rocznej. Najczęściej notuje się burze w górach, zwłaszcza w Sudetach, Beskidzie Śląskim i Tatrach (powyżej 30 burz w roku), stosunkowo rzadziej natomiast we wschodniej części Polski.

Polska jest (a może była?) spokojnym atmosferycznie krajem. Piękne Cumulonimbusy częściej przenoszono na płótno i papier, niż przeklinano. Tymczasem na Ziemi są miejsca, gdzie zjawiska burzowe są powszedniością. Tylko dalej na północ i południe od 60. równoleżnika burze są bardzo rzadkim zjawiskiem. W tych szerokościach geograficznych powietrze rzadko bywa tak ciepłe i wilgotne, by mogły one powstać. Natomiast w pobliżu równika jest wiele miejsc z co najmniej stu dniami burzowymi. Za główne centrum działalności burzowej atmosfery uchodzi Afryka Środkowa, zwłaszcza wybrzeże Zatoki Gwinejskiej. Liczba dni z burzą nad lądem jest około trzy razy większa niż nad morzem, ponieważ ląd bardziej się nagrzewa. W dzień rozwijają się Cb nad lądem, a nocą nad Zatoką. Grzmoty słychać z jednej i drugiej strony. Obszarami o dużej częstotliwości burz są też Ameryka Południowa na wschód od Andów, Ameryka Środkowa, południo­wa część Ameryki Północnej na wschód od Gór Skalistych, Madagaskar oraz morza i archipelagi łączące Indochiny z Australią. Nad pustyniami burze nie powstają - powietrze jest tam zbyt suche, chociaż dobowe zmiany temperatury są tu największe. Jeśli wyjątkowo się to zdarzy, mamy lokalny kataklizm.

Czy idą burzliwe lata?

Raczej tak. Coś z tą dodatkową energią, którą niefrasobliwie dorzucamy atmosferze, musi się stać. Wzmaga się cyrkulacja cyklonalna, czyli intensywność wędrówek niżów atlantyckich na wschód. Podnosi się temperatura powietrza, wód i gleby. Wzrasta tempo parowania pochłaniającego ogromne ilości energii. Tworzy się też więcej burz, tych lokalnych, ale bardzo silnych zjawisk. Jest ich więcej, ale przede wszystkim są silniejsze. Dzięki wyższym temperaturom i większym porcjom pary wodnej kondensującej się w chmurach Cb, wymiary pionowe tych chmur są większe. Rozrastają się do ośmiu, nawet dziesięciu kilometrów, gdy w spokojniejszych latach początku ubiegłego stulecia były to ledwie pięciokilometrowe wieże. Należy się spodziewać, że częściej będzie z tych chmur spadał grad i częściej wysunie się z podstawy Cb wirujący jęzor. Obawiać się należy większej ilości - w dodatku silniejszych - błyskawic.

Ale najgroźniejsze jest zwiększone prawdopodobieństwo wyższych i intensywniejszych opadów. Coraz częściej media (zresztą posługując się nieprawidłowymi jednostkami i terminami) przerażają odbiorców dziesiątkami litrów wody spadłymi na kwadratowy metr czy tzw. "oberwaniami" chmury. To grozi lokalnymi powodziami, utratą plonów i stratami zupełnie nieprzewidywalnymi. Bo przecież miejsce ulewy, gradobicia i trąby jest praktycznie nieprzewidywalne.

Patrzymy na bardzo starą i bardzo ciekawą mapkę z liczbą dni z burzami nad obecnym terytorium Polski sto lat temu. Na przeważającej części kraju notowano wtedy 16-18 burzowych dni w roku. Kolejne dane pochodzą z połowy ubiegłego wieku. Było wtedy średnio 21 dni z burzą. Wreszcie w ostatnich dziesięcioleciach przed nowym tysiącleciem notowano 26 takich dni. Za rok minie najnowsze dziesięciolecie. Już teraz można z dużym prawdopodobieństwem przewidywać, że średnia zbliży się do trzydziestu. Zatem latem burza co trzeci dzień. Jak na Timorze.

Na świecie zmiany są jeszcze wyrazistsze. Nie tak dawno dziwiła nas niska częstotliwość burz wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryk w strefie podzwrotnikowej (Kalifornia, Peru, Chile). Przeważają tutaj wiatry wiejące w stronę równika, ochładzane zimną wodą wypływającą z głębi oceanu, wskutek czego temperatury powietrza pozo­stawały poniżej wartości średnich dla odpowiednich równoleżników. Teraz pojawiły się tu wody cieplejsze, a za nimi burze. Szczególnie w związku z pacyficznym prądem El Nino deformującym cyrkulację oceaniczną. Tak to mgły Atakamy przeradzają się w Cb.

Polskie nory tarpagana

Są trzy grupy sposobów na wzrastającą burzliwość naszej aury. Po pierwsze, trzeba wzmocnić dachy, przestać budować domy w dolinach, które mogą zebrać wodę z nawalnych opadów, i ubezpieczyć się. Można kupić solidniejsze parasole.

Po drugie, należy zacząć prognozować zjawiska burzowe na bieżąco, czyli z kilkugodzinnym wyprzedzeniem. Nie tylko po to, by zwieźć siano z pola, ale by zjechać z drogi czy dopłynąć do przystani. Ponieważ odległość między stacjami synoptycznymi wynosi od 80 do 250 km, nie ma możliwości stwierdzenia wy­stąpienia każdej burzy, można jednak ustalić praw­dopodobieństwo groźnych zjawisk pogodowych dla jakiegoś obszaru. Można się też stale przyglądać ekranowi radaru, gdzie plamy burz i ich kierunek są dobrze widoczne. Bez trudu można identyfikować obszary o wyraźnej chwiejności atmosfery, wyznaczać poziom kondensacji, swo­bodnej konwekcji, dziennego nagrzania, kierunku wiatru na różnych poziomach. Wykryto np., że najgroźniejsze zjawiska burzowe w Polsce powstają wtedy, gdy szybki i wąski stru­mień powietrza z zachodu zaczyna górą nadciągać na obszar zajęty na dole przez masę ciepłego powietrza płynącego z południa.

A po trzecie? Chyba przyjdzie nam odzwyczaić się od radosnego witania pierwszej wiosennej burzy jako forpoczty ciepłej pory roku. Zachwyt nad pęczniejącym Cumulonimbusem powoli zmieni się w ostrzeżenie.?

Dr WITOLD LENART jest klimatologiem, wicedyrektorem Centrum Badań nad Środowiskiem Przyrodniczym UW.