Burza to jeden z najbardziej spektakularnych i najpotężniejszych przejawów siły natury. Wywołuje w nas ogromne emocje – od lęku, a czasem wręcz panicznego strachu, po zachwyt i magnetyzujące zainteresowanie. To zapewne z tego powodu we wszystkich starożytnych kulturach najważniejszym bóstwom przypisywano atrybuty burzowe – jak chociażby greckiemu Zeusowi, który dzierżył w dłoni śmiercionośną błyskawicę. Na całej kuli ziemskiej notuje się od 50 do 100 uderzeń pioruna na sekundę. Burze pozostają jednym z najgroźniejszych zjawisk atmosferycznych i nadal skrywają wiele tajemnic.
AUTOR: Mateusz Barczyk, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju
Chmura kłębiasta Cumulonimbus – to ona jest odpowiedzialna za zjawiska burzowe. Powstaje w wyniku dynamicznych ruchów konwekcyjnych w atmosferze, które są zasilane warunkami i procesami fizycznymi – chwiejnością atmosfery oraz przemianą pary wodnej w wodę i lód. Wyzwalane są wówczas ogromne zasoby energii, która uruchamia dynamiczne prądy wstępujące i zstępujące. Wyobraźmy sobie chmurę Cumulonimbus jako maszynę parową… bez ścian. Dzięki skondensowanym, silnym ruchom powietrza nie ulega ona rozpadowi, a paliwem do jej działania jest para wodna znajdująca się w wilgotnym powietrzu. Potrzebne są jeszcze warunki pracy i mechanizm wprawiający maszynę w ruch. W tym pierwszym wypadku jest to nierównomierne nagrzanie warstw atmosfery. Im cieplejsze powietrze zalegające w dolnych partiach i chłodniejsze w wyższych, tym szybszy staje się proces budowy chmury. Start naszej „maszyny” mogą spowodować różne czynniki – fronty atmosferyczne i wewnątrzmasowe, orografia – coś, co pozwoli wilgotnemu i ciepłemu powietrzu się wznosić.
Burzowa mapa świata
Na Ziemi najlepsze warunki do powstania burz panują w tropikach. W rejonach okołorównikowych, gdzie powietrze jest bardzo wilgotne, a poziom usłonecznienia – wysoki, notuje się ponad 200 dni w roku z burzą. Rekordzistą jest Jezioro Wiktorii w Ugandzie – tam średnia roczna liczba dni z burzami przekracza 240 rocznie! Im bliżej biegunów, tym mniejsza szansa na wystąpienie burzy. Ale zjawiska te mogą występować pod każdą szerokością geograficzną i w różnych porach roku – nawet zimą.
Rocznie w Polsce mamy około 150-160 dni z burzą – najwięcej w Karpatach (30-35), a najmniej na Pomorzu (15-20). Systemy wykrywania wyładowań doziemnych notują w naszym kraju przeciętnie 0,5-3 wyładowań/km2/rok. Być może stąd powiedzenie, zresztą nieprawdziwe, że piorun nie uderza dwa razy w to samo miejsce. W rzeczywistości lokalizacja wyładowania jest zupełnie przypadkowa, a nasilone incydenty burzowe mogą znacząco zwiększyć średnie statystyczne gęstości wyładowań i nie można wykluczyć dwóch uderzeń w tym samym miejscu w trakcie tej samej burzy.
Burzowa „menażeria”
Chociaż burzę definiuje się jako głęboką konwekcję objawiającą się wyładowaniami elektrycznymi, to bardzo istotne są inne towarzyszące jej zjawiska. Przelotne opady – często bardzo intensywne, a czasem również długotrwałe. Porywy wiatru, czyli nagły wzrost prędkości o co najmniej 5 m/s powyżej średniej – mogące przybierać postać nawałnic. Grad i krupa śnieżna – z opadem lodu o średnicy sięgającej nawet kilkunastu milimetrów. Wreszcie niszczycielskie trąby powietrzne.
Burza zaczyna się od pary wodnej. W odpowiednich warunkach masy powietrza zawierające duże ilości wilgoci unoszą się i ulegają ochłodzeniu. Dzieje się tak do momentu osiągnięcia nasycenia parą wodną – to tzw. punkt kondensacji, najczęściej poziom podstawy chmury. Proces kondensacji wyzwala energię utajoną w fazie pary, która może zostać wykorzystana do wywołania ruchu w atmosferze lub zamieniona w ciepło, co spowolni ochładzanie się wznoszącej masy powietrza. To spowolnione ochładzanie jest kluczowe, ponieważ powoduje, że wypiętrzane powietrze staje się lżejsze od otoczenia, a tym samym – wyporne. Siła wyporu przyspiesza ruch masy powietrza ku górze; następuje szybsza przemiana pary wodnej w wodę i wzrost produkcji energii utajonej.
Dlaczego burze są tak gwałtowne i groźne?
W czasie przeciętnej burzy (czyli w ciągu 45-60 min) przemiana pary wodnej w krople wody budujące chmurę wyzwala biliony, a nawet biliardy dżuli energii. Złożone i długotrwałe układy wielokomórkowe lub superkomórkowe wykorzystują wielokrotnie więcej energii. Dla porównania eksplozja bomby jądrowej w Hiroszimie wyzwoliła energię około 63 bln J – jest to rząd wielkości podobny do przeciętnej burzy. Zasadniczą różnicą jest szybkość uwalniania– podczas eksplozji cała energia zostaje wyemitowana w ciągu ułamka sekundy, w trakcie burzy są to dziesiątki minut.
Takie przyspieszanie potrafi doprowadzić do bardzo silnego ciągu, sięgającego 20 m/s w chmurze Cumulus congestus i 30-40 m/s w chmurze Cumulonimbus incus. Wyobraźmy sobie dyszę generującą bardzo silny wiatr unoszący wodę i parę na wysokość zamarzania kropli wody. Tworzą się lodowe ziarna, które w strumieniu wilgotnego i zimnego nadmuchu przybierają na rozmiarze i stają się gradzinami. Mieszanina wody i lodu dalej się unosi. Krople wody zderzają się – część nadal zamarza, część wypada poza strumień powietrza i zaczyna opadać. Cząstki lodu podczas zderzeń ulegają naelektryzowaniu, a ładunki tzw. separacji – w efekcie powstaje napięcie. Kiedy napięcie osiąga wartość graniczną, pozwalającą na powstanie przebicia, dochodzi do wyładowania elektrycznego. Tylko około 20 proc. wyładowań to uderzenia chmura-ziemia, pozostałe zachodzą w powietrzu.
Photo by Julieta Pagano on Unsplash
Kiedy krople lub gradziny stają się odpowiednio duże, wypadają ze strumienia wznoszącego i opadają, ciągnąc za sobą masy powietrza. Powstaje prąd zstępujący, który uderza o ziemię i rozpływa się na wszystkie strony, tworząc porywy wiatru. Przy odpowiedniej dynamice atmosfery, przez przekaz pędu, a także przy silnych prądach znoszących porywy wiatru mogą być szczególnie gwałtowne. A trąby powietrzne? Proces ich powstania jest niesamowicie skomplikowany i jego szczegóły omówimy przy innej okazji. Ogólnie ujmując, w pewnych warunkach chwiejności i skrętności wiatru (zmiana kierunku i prędkości z wysokością) ruchy pionowe mogą ulegać rotacji. Rozciągane w pionie przez ruch powietrza, zwężają swoją średnicę – przyspieszając przy tym, jak przy piruecie. W efekcie tworzy się lej, kierujący się ku powierzchni Ziemi.
Czy wiesz, że Ewa Wiśniewska, polska paralotniarka, niezamierzenie została rekordzistką wysokości lotu paralotnią?
Stało się to podczas zawodów w Australii, gdy zawodniczka została wessana do chmury Cumulonimbus. Było to skrajnie niebezpieczne wydarzenie – wewnątrz chmury wirowały kule gradu wielkości piłek tenisowych i występowały liczne wyładowania. Dzięki zapisom urządzenia GPS wiemy dokładnie, co się działo. Mimo wyniesienia w ciągu kilku minut na wysokość niemal 10000 m n.p.m. (znacznie wyżej niż Mount Everest), gdzie panowało ekstremalnie niskie ciśnienie, a temperatura sięgała –55°C, paralotniarka przeżyła. Dodajmy, że przetrwała około 20 minut w przestrzeni na wysokości 8000-10000 tys. m n.p.m., w skrajnym mrozie, gdzie praktycznie nie ma czym oddychać, prawdopodobnie dzięki temu, że wcześniej straciła przytomność. Po wypadnięciu ze strefy prądów wznoszących zaczęła szybko opadać – poniżej 7000 m n.p.m. czasza skrzydła ponownie się otworzyła, a paralotniarka odzyskała przytomność. Po upływie około 3,5 godziny od startu zdołała bezpiecznie wylądować – z odmrożeniami na twarzy i kończynach, ale cała i zdrowa.
Czy zmiana klimatu wpływa na częstotliwość zjawisk burzowych?
Na podstawie wyników przedstawionych w pracy „A climatology of thunderstorms across Europe from a synthesis of multiple data sources” można wnioskować, że zmiana klimatu nie musi przekładać się na wzrost częstości burz. W zachodniej części basenu Morza Śródziemnego burze pojawiają się coraz rzadziej, podczas gdy w środkowej i we wschodniej – częściej. Jeśli chodzi o Polskę, analiza zawarta w ww. pracy wskazuje na nieznaczny wzrost częstości występowania warunków atmosferycznych sprzyjających burzom, ale trudno wyciągnąć z tego istotne trendy. Również poglądowa praca Zuzanny Bąkowskiej, w której autorka przedstawiła wyniki analiz danych synoptycznych z drugiej połowy XX wieku, nie wykazała istotnej zmiany w częstości burz nad Polską. Czy to oznacza, że zjawiska te nie będą nam w przyszłości zagrażać? Odpowiedź nie jest jednoznaczna. W ostatnich latach notuje się coraz częstsze występowanie burzowych ośrodków niżowych w rejonie południowo-wschodniej Europy. Taki układ cyrkulacji zwiększa szansę napływu do Polski wilgotnego powietrza znad Morza Czarnego, co może powodować silne burze z intensywnymi opadami deszczu. Z taką sytuacją mieliśmy zresztą do czynienia w czerwcu tego roku. Dodatkowo, skutki burz intensyfikuje poziom urbanizacji i uszczelnienia powierzchni, które powodują, że nawalne opady deszczu prowadzą do podtopień i paraliżu obszarów miejskich.
Jak IMGW-PIB monitoruje i bada burze?
Dzięki rozbudowanej sieci radarów meteorologicznych i detektorów wyładowań Instytut na bieżąco rejestruje powstanie i rozwój burzy, a także tempo i kierunek jej przemieszczania. Dane te wykorzystuje się do oceniania stopnia organizacji burz – włącznie z postaciami złożonymi, takimi jak superkomórki i linie szkwałowe. Aby lepiej wykrywać obszary nasilonego wiatru w burzach, każdy z radarów sieci POLRAD wykonuje skan dopplerowski, na którym określa się kierunek i prędkość przemieszczania hydrometeorów względem anteny radarowej. Analiza tych danych pozwala na lepsze rozpoznawanie zjawisk szczególnie gwałtownych, a lepsze zrozumienie warunków występowania silnych burz to skuteczniejsze ich prognozowanie. Od 2011 roku w ramach osłony meteorologicznej kraju funkcjonuje specjalny serwis burzowy, pozwalający synoptykom prezentować konwekcyjną prognozę na dzień bieżący i kolejne. Obecnie z tymi prognozami można się zapoznać na profilu facebookowym https://www.facebook.com/burzaalertimgw/.
Objaśnienia: hook echo – echo haczykowe uformowane przez silny strumień powietrza wciąganego do chmury; TDS (ang. Tornado Debris Singature) – sygnatura obiektów unoszonych przez tornado
Zdjęcie główne: Johannes Plenio | Unplash
