Gwałtowne burze to ogromne zagrożenie dla życia i komfortu mieszkańców miast, a także wielkie wyzwanie dla infrastruktury miejskiej. Powalone drzewa, porażenia piorunem i podtopienia to główne skutki intensywnych zjawisk konwekcyjnych w obszarach zurbanizowanych. Dotychczasowe badania naukowe potwierdzają, że miasta, a szczególnie tzw. „miejska wyspa ciepła”, mogą modyfikować rozwój i przebieg burz, w tym intensywność opadów i wyładowań atmosferycznych. O ile w skali całej planety większa częstość i dynamika takich zdarzeń, jak fale upałów, susze, powodzie i burze, są prawdopodobnie skutkiem globalnej zmiany klimatu, o tyle analizując klimat w skali regionalnej i lokalnej, trzeba dostrzec wpływ urbanizacji i działalności ludzkiej na pogodę w mieście.
AUTORZY:
Grzegorz Duniec, IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego/Zakład Prognoz Numerycznych COSMO
Monika Hajto, IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju/Zakład Teledetekcji Satelitarnej
Adam Jaczewski, IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego/Zakład Analiz Meteorologicz-nych i Prognoz Długoterminowych
Czemu podczas burz tak często pada ulewny deszcz? Jednym ze zjawisk powodujących opad atmosferyczny jest konwekcja termiczna, czyli system prądów wstępujących i zstępujących oraz stref zbieżności i rozbieżności[a]. Z konwekcją mamy do czynienia, gdy nagrzane od podłoża, wilgotne powietrze wznosi się (prąd konwekcyjny), a przy powierzchni ziemi tworzy się ośrodek niskiego ciśnienia. Wraz ze wzrostem wysokości powietrze ochładza się, a jeśli osiągnie punkt rosy, wówczas na cząstkach aerozolu zwanych jądrami kondensacji[b] zaczynają się formować krople wody. W wyniku kondensacji pary wodnej lub wzajemnych zderzeń krople rosną, do momentu gdy prąd wznoszący nie jest w stanie ich utrzymać. Wówczas spadają w kierunku ziemi tworząc opad deszczu. Ponieważ prądy wznoszące w układach burzowych są bardzo silne, krople mogą uzyskiwać większe średnice. Z kolei w środkowej części chmury burzowej na jądrach krystalizacji formują się kryształki lodu. One także rosną w miarę unoszenia w chłodniejsze warstwy atmosfery. Kiedy prąd wstępujący nie jest już w stanie ich utrzymać, opadają w niższe warstwy, gdzie przymarzają do nich przechłodzone krople. Taki wielokrotnie powtarzający się cykl może skutkować powstaniem gradzin o średnicy przekraczającej nawet 10 cm. Te właśnie procesy konwekcyjne powodują, że w trakcie burz bardzo często występują ulewne opady deszczu i gradu.
Mechanizmy elektryzacji chmur
Abyśmy mogli sobie odpowiedzieć na pytanie o wpływ miasta na częstotliwość i intensywność wyładowań elektrycznych, musimy zrozumieć jakie procesy fizyczne są odpowiedzialne za ich powstanie. Zainicjowanie wyładowania iskrowego, czyli błyskawicy, wymaga wygenerowania w chmurach Cumulonimbus pola elektrycznego przebicia[c] o wartości natężenia 3 MV/m (przy powierzchni Ziemi i ciśnieniu normalnym, natomiast na wysokości 5 km wynosi około 1,5 MV/m). Jak jednak do tego dochodzi?
Sposobów elektryzacji jest wiele, m.in. dyfuzyjny (elektryzacja związana z wychwytywaniem jonów atmosferycznych), konwekcyjny lub zderzeniowy (przebiegający w obecności (indukcyjny) i przy braku (nieindukcyjny) zewnętrznego pola), jednak nie wszystkie mają taki sam wkład w elektryzację chmur. Jak się okazuje, najistotniejsze są mechanizmy zderzeniowe.
Obecność zewnętrznego pola elektrycznego powoduje, że cząstka krupy śnieżnej, gradu lub kropli jest spolaryzowana – w dolnej części cząstki zgromadzony jest ładunek dodatni, zaś w górnej ujemny. Kiedy większa cząstka (grad, krupa śnieżna lub kropla) opada w chmurze, na swojej drodze napotyka mniejsze kryształki lodowe lub kropelki, z którymi się zderza. Przy kontakcie powierzchni przeciwnie naładowanych następuje transfer ładunku elektrycznego – część ładunku dodatniego przepłynie na powierzchnię małego kryształka lodowego, cząstki śniegowej lub kropli. Wielkość tego ładunku zależy od zewnętrznego pola elektrycznego, rozmiarów obu cząstek, ładunków zderzających się cząstek, ładunków polaryzacyjnych i miejsca zderzenia na powierzchni dużej cząstki względem kierunku linii pola elektrycznego zewnętrznego. Istotny jest też czas kontaktu, w trakcie którego następować będzie przemieszczanie ładunku w celu wyrównania potencjałów. W rezultacie, po dużej, ale skończonej liczbie zderzeń, krupa śnieżna, grad lub większa kropla zostaje naładowana ładunkiem ujemnym i porusza się w kierunku ziemi (siła grawitacji jest większa od siły prądu wstępującego), natomiast kryształki lodu, cząstki śniegu lub małe kropelki mają nadmiar ładunku dodatniego i poruszają się z prądami powietrza do góry. Na wysokości między izotermami –10°C i –20°C tworzy się centrum ładunku ujemnego, powyżej znajduje się centrum ładunku dodatniego. W początkowym etapie pole elektryczne jest słabe, wymieniana pomiędzy cząstkami ilość ładunku jest niewielka, a zmiany pola elektrycznego wewnątrz chmury zachodzą powoli. W miarę wzrostu natężenia pola elektrycznego coraz większa ilość ładunku będzie wymieniana w trakcie zderzeń, co skutkować będzie szybszym wzrostem wartości natężenia[d].
Zderzeniowy mechanizm nieindukcyjny przebiega bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego i zachodzi pomiędzy cząstkami krupy śnieżnej lub gradu a kryształkami śniegu lub kryształkami lodu w obecności przechłodzonych kropel wody. Ilość i znak ładunku transportowanego do cząstki krupy śnieżnej/gradu zależy od temperatury otoczenia, wodności chmury, a także od względnej prędkości zderzenia. Po dużej liczbie zderzeń krupa śnieżna lub grad zostają naładowane ujemnie jeśli temperatura otoczenia jest niższa od –10°C i o ile efektywna wartość wodności chmury nie przekracza 1 g/cm3. W przeciwnym wypadku krupa śnieżna lub grad naładowane zostaną ładunkiem dodatnim. Centra ładunków w chmurze Cb tworzą się w wyniku separacji grawitacyjnej, a rozwój pola elektrycznego następuje od chwili rozpoczęcia konwekcji i szybko osiąga wartość maksymalną.
Opisane mechanizmy elektryzacji chmury Cumulonimbus tworzą strukturę elektryczną, złożoną z centrum ładunku dodatniego znajdującego się w górnej części chmury i centrum ładunku ujemnego o grubości około 1 km znajdującego się na wysokości pomiędzy izotermami –10°C i –20°C. Z kolei w dolnej części chmury, pomiędzy izotermami 0°C i –10°C, powstaje niewielkie centrum ładunku dodatniego, którego źródło nie jest przez fizyków jednoznacznie rozpoznane. Część badaczy wskazuje, że przyczyną jego formowania się są wyładowania koronowe dostarczające ładunek dodatni, który jest następnie transportowany do dolnych obszarów chmury. Inni sugerują, że odpowiedzialny jest rozpad kropli w mechanizmie indukcyjnym typu “bag breakup” lub wyładowania wewnątrzchmurowe.
Z obserwacji wynika, że niektóre chmury burzowe charakteryzują się odwrotną polaryzacją i to w górnym centrum dominuje ładunek ujemny. Powyższe mechanizmy są istotne i dominujące w procesie elektryzacji, dlatego w modelach numerycznych poświęca się im dużo uwagi i podejmuje próby ich parametryzacji, co pozwoli na jeszcze lepsze prognozowanie wystąpienia burzy i wyładowań atmosferycznych.
Kilka słów o wyładowaniach
W momencie gdy natężenie pola elektrycznego osiągnie wartości przebicia, rozpoczyna się inicjacja wyładowań iskrowych. Jeżeli przepływ ładunku elektrycznego zachodzi pomiędzy dwoma centrami w jednej chmurze Cumulonimbus, powstają tzw. wyładowania wewnątrzchmurowe. Gdy centra znajdują się w dwóch różnych chmurach Cb, wówczas następuje tzw. wyładowanie międzychmurowe (chmura-chmura). Ponieważ wewnątrz Cumulonimbusa znajdują się ładunki będące źródłem pola elektrycznego, wokół chmury gromadzą się ładunki o przeciwnym znaku. W sprzyjających warunkach może nastąpić przepływ ładunków pomiędzy tymi dwoma ośrodkami i takie wyładowanie nazywamy wyładowaniem chmura-powietrze.
Wyładowanie doziemne (źródło: https://cloudatlas.wmo.int/en/search-image-gallery.html)
(źródło: https://cloudatlas.wmo.int/en/search-image-gallery.html).
I wreszcie, najgroźniejsze dla człowieka, wyładowania doziemne. Mogą być dodatnie lub ujemne i być inicjowane z chmury bądź z powierzchni ziemi. Wyładowanie doziemne to przepływ potężnego ładunku elektrycznego[e] zjonizowanym kanałem do ziemi lub w kierunku chmury. Kanał nagrzewa się do temperatury rzędu nawet 30 tys. Kelwinów. Uderzenie w człowieka błyskawicy o takich parametrach elektrycznych może skutkować nawet śmiercią. Skutki porażenia piorunem są bardzo różne, od poparzenia termicznego, uszkodzenia układu nerwowego, urazów kończyn i kręgosłupa oraz uszkodzenia mózgu, po zaburzenia widzenia, drgawki, ogłuchnięcie, apatie, senność, pobudzenie, utratę przytomności, zaburzenia rytmu pracy serca i zatrzymanie krążenia.
Poza wymienionymi powyżej piorunami liniowymi, występują jeszcze pioruny kuliste, Ognie św. Elma oraz pioruny perełkowe. Oprócz wyładowań chmurowych (wewnątrzchmurowych, chmura-chmura oraz chmura powietrze), doziemnych, zaobserwowano także wyładowania chmura-jonosfera. Do tego rodzaju aktywności elektrycznej zaliczyć możemy: jets, blue, gigantic jets, sprites, halos i elves.
Topoklimat miasta
Klimat każdego miasta jest wypadkową oddziaływania czynników w skali makro (np. cyrkulacji atmosferycznej) i czynników lokalnych (naturalnych i antropogenicznych). Rzeźba terenu, obecność rzek i zbiorników wodnych, a także typ gleby kształtują klimat lokalny w sposób naturalny. Do czynników antropogenicznych można zaliczyć m.in. zmianę pokrycia i użytkowania terenu (która nadaje odmienne właściwości fizyczne powierzchni czynnej, uczestniczącej w wymianie energii między podłożem a atmosferą), rodzaj zabudowy (która zwiększa tzw. szorstkość terenu, wpływając na przewietrzanie miasta), a także gęstość zaludnienia, uprzemysłowienie czy wzmożony transport drogowy, które powodują zwiększone zużycie energii, dodatkową emisję ciepła i zanieczyszczenie powietrza. Efektem oddziaływania wymienionych czynników są gorsze warunki aerosanitarne (słaba jakość powietrza) w mieście oraz większe obciążenie cieplne. Wszystko to powoduje modyfikację lokalnych warunków klimatycznych, w zakresie takich elementów meteorologicznych, jak promieniowanie słoneczne, zachmurzenie, temperatura i wilgotność powietrza, mgła, opady atmosferyczne czy wiatr.
Miejska wyspa ciepła
MWC, czyli miejską wyspą ciepła, nazywa się termiczną modyfikację klimatu w obszarze zurbanizowanym. Jest to zjawisko polegające na termicznym uprzywilejowaniu (cieplejsze powierzchnie lub powietrze[f]) obszaru zabudowanego względem sąsiednich obszarów niezabudowanych lub zabudowanych w niewielkim stopniu. Powierzchniową MWC można wykryć na podstawie obrazów satelitarnych w podczerwieni termicznej. Patrząc na satelitarną mapę temperatury terenu dla godzin okołopołudniowych, łatwo zidentyfikujemy części miasta, które najsilniej się nagrzewają – intensywność powierzchniowej MWC w ciągu dnia może przekraczać 15°C. Do oceny atmosferycznej MWC niezbędne są pomiary temperatury powietrza, prowadzone jednocześnie w obszarze miejskim i pozamiejskim. Wskażą ją również modele meteorologiczne – tym dokładniej, im większa będzie rozdzielczość przestrzenna modelu, a procesy atmosferyczne właściwie sparametryzowane. Atmosferyczna MWC największą intensywność ma w porze nocnej lub nad ranem, osiągając średnie wartości przekraczające 5°C, a niekiedy nawet 10°C.
Zależności między temperaturą powierzchni terenu i temperaturą powietrza atmosferycznego są zmienne w ciągu doby. W warunkach tzw. pogody radiacyjnej (przy bezchmurnym niebie i ciszy wiatrowej) w porze nocnej wychładzanie się powietrza i podłoża postępuje w zbliżonym tempie, natomiast za dnia powietrze nie nagrzewa się tak silnie jak powierzchnia terenu dzięki konwekcyjnemu mieszaniu. Dlatego nocna powierzchniowa i atmosferyczna MWC są do siebie podobne, ale dzienna powierzchniowa MWC jest znacznie silniejsza od atmosferycznej; w kanionach ulicznych w ciągu dnia może wręcz dojść do zjawiska odwrotnego, tj. miejskiego jeziora chłodu. Dodatkowo, nadwyżka ciepła w mieście modyfikuje pole ciśnienia atmosferycznego, co skutkuje utworzeniem się lokalnej cyrkulacji, tzw. bryzy miejskiej.
Po lewej przykłady powierzchniowej wyspy ciepła w porze dziennej.
Cyrkulacja powietrza w mieście a opady
Cieplejsze powietrze nad miastem obniża ciśnienie, co skutkuje powstaniem prądów wstępujących. Ten sam proces obserwujemy nad gorącą plażą, dzięki czemu znad morza napływa przyjemna dla nas bryza. W obszarach miejskich wiatr niesie chłodniejsze powietrze spoza obszaru zurbanizowanego, ale w ulicznych kanionach słabnie i zbiega się – dochodzi do zjawiska konwergencji. Unoszenie się ciepłego, wilgotnego powietrza może zwiększyć koncentrację jąder kondensacji, których w miejskim powietrzu nie brakuje (np. zanieczyszczenia pyłowe). Im więcej takich jąder w powietrzu, tym krople są mniejsze i mogą być unoszone wyżej. Osiągnąwszy określony pułap, zamarzną na powierzchni kryształków lodu lub gradzin, zwiększając objętość i ciężar hydrometeorów. Uwzględnienie tych procesów w symulacjach numerycznych pozwala na znacznie dokładniejsze modelowanie zjawisk konwekcyjnych w miastach.
Burze, które powstały poza obszarem zurbanizowanym, ulegają pewnej modyfikacji w wyniku cyrkulacji miejskiej wyspy ciepła; mogą podzielić się i przemieszczać na peryferia miasta. Mogliśmy to obserwować w czerwcu tego roku, kiedy w kilku polskich miejscowościach w powodu nawalnych opadów doszło do lokalnych powodzi zwanych błyskawicznymi. Burza, przemieszczając się nad miasto, trafia na obszar z wyższymi budynkami w centrum, gdzie podłoże ma większą szorstkość. Na skutek większego oporu powierzchni strefa intensywnych opadów rozwidla się i przemieszcza nad obszary peryferyjne. Z takim zjawiskiem mieliśmy do czynienia w Poznaniu i Krakowie.
Po prawej przykładowe pola 3-godzinnych sum opadów dla wybranych miast podczas intensywnych zjawisk konwekcyjnych, utworzone przy użyciu danych RainGRS.
Jak zmienia się burza w mieście?
Obserwacje meteorologiczne potwierdzają wpływ obszarów miejskich na tempo elektryzacji chmur i częstotliwość występowania burz. Notuje się wzrost ilości chmur konwekcyjnych generujących wyładowania elektryczne w pobliżu miasta, w szczególności w godzinach popołudniowych, ale także w nocy i wczesnym rankiem w godzinach między 2 a 10, i dotyczy to burz związanych z frontami atmosferycznymi. Obserwacje wskazują również na zwiększoną ilość izolowanych komórek konwekcyjnych pojawiających się w obszarze miejskim popołudniu i wieczorem, przy czym więcej Cumulonimbusów powstaje w obszarze za miastem zgodnie z kierunkiem wiejącego wiatru. Pomiary w chmurach Cb wykazały wzrost rozmiarów cząstek gradu (o 32%) i ich prędkości w obszarze miejskim. Ponieważ tempo elektryzacji i ilość ładunku gromadzonego w głównych centrach ładunkowych zależą m.in. od parametrów, których wartości wzrastają w obszarze zurbanizowanym, to można oczekiwać, że w mieście aktywność elektryczna chmury będzie rosła. Większa ilość cząstek aerozolu w obszarach miejskich powoduje przyrost ilości cząstek lodowych i przechłodzonych kropelek, co sprzyja powstawaniu wyładowań. Co ciekawe w dniach roboczych aktywność elektryczna w miastach jest większa niż w weekend i święta – to efekt mniejszej emisji zanieczyszczeń do atmosfery w dniach wolnych od pracy, gdy spada działalność przemysłowa i natężenie komunikacji. W powietrzu unosi się mniej jąder kondensacyjnych, które jak wspomniano umożliwiają powstawanie chmur.
Badania oparte na obserwacjach i modelowaniu wskazują, że miasto wpływa na ewolucję przemieszczających się nad nim burz poprzez określone fizyczne mechanizmy. Po pierwsze, zwiększa zbieżność powietrza (konwergencję) z powodu podwyższonej szorstkości terenu (przez zabudowę), co skutkuje silniejszym wynoszeniem powietrza. Po drugie, miejska wyspa ciepła destabilizuje warstwę graniczną atmosfery; dochodzi do przemieszczenia się cyrkulacji MWC oraz chmur konwekcyjnych powstających w wyniku MWC. Po trzecie, zwiększona zawartości aerozoli w zanieczyszczonym powietrzu miejskich wspomaga tworzenie się chmur. Nie należy również zapominać o wpływie pokrycia miasta, tj. zespołu budynków, drzew i innych obiektów tworzących zabudowę miejską, na rozwidlenie lub zmianę kierunku przemieszczania się komórek burzowych.
[a] Mowa tu o strefach konwergencji (zbliżania się prądów powietrznych) i dywergencji (oddalania się od siebie prądów powietrznych).
[b] Jądra kondensacji to mikrocząstki aerozolu atmosferycznego niezbędne do powstania kropel i chmur. Mogą nimi być kryształki soli morskiej, sole siarki czy azotu, pyłki roślin, agregaty skomplikowanych cząstek organicznych, a nawet bakterie. Dzięki własnościom higroskopijnym jądra kondensacji mogą przyłączać do siebie cząsteczki wody. Gdy proces ten przebiega wystarczająco długo, tworzy się chmura.
[c] Wartość natężenia pola elektrycznego, przy której następuje inicjacja wyładowania iskrowego w gazie.
[d] Zmiany natężenia pola elektrycznego wewnątrz chmury zachodzą w tempie wykładniczym w czasie.
[e] Podczas wyładowania ujemnego ładunek przenoszony do ziemi ma wartość rzędu –8C, w trakcie wyładowania dodatniego – około 80C.
[f] Ponieważ w mieście nagrzewają się zarówno powierzchnie (np. ulice, chodniki, dachy, ściany), jak i powietrze (przyziemna warstwa atmosfery), to rozróżniamy MWC powierzchniową i atmosferyczną.
Więcej o tworzeniu się burz i miejskiej wyspie ciepła znajdziecie w publikacjach:
Pruppacher H.R., Klett J.D., 1996, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer.
MacGorman D.R., Rust W.D., 1998, The Electrical Nature of Storm, Oxford University Press.
Bodzak P., 2007, Detekcja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych, IMGW.
Oke T.R., Mills G., Christen A., Voogt J.A., 2017, Urban Climates, Cambridge University Press.
Cooray V., 2014, The Lightning Flash, The Institute of Engineering and Technology.
Cooray V., 2015, An Introduction to Lightning, Springer.
Landsberg H.E., 1981, The Urban Climate. Academic Press, New York.
Oke T.R., 1982, The energetic basis of the urban heat island, https://doi.org/10.1002/qj.49710845502.
Voogt J.A., Oke T.R., 2003, Thermal remote sensing of urban climates, DOI: 10.1016/S0034-4257(03)00079-8.
Rakov V. A., Uman M. A., 2003, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press.
Lamb D., 2011, Physics and Chemistry of Clouds, Cambridge University Press.
Bentley M., Stallins T., Ashley W., 2010, The Atlanta thunderstorm effect, Weatherwise, 63, 24-29, DOI: 10.1080/00431671003609937.
Bokwa A., 2010, Wieloletnie zmiany struktury mezoklimatu miasta na przykładzie Krakowa, IGiGP UJ.
Szymanowski M., 2004, Miejska wyspa ciepła we Wrocławiu, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskie-go.
Zhang Y., Miao S., Dai Y., Bornstein R., 2017, Numerical simulation of urban land surface effects on sum-mer convective rainfall under different UHI intensity in Beijing, Journal of Geophysical Research. Atmos-pheres, 122 (15), 7851-7868, DOI: 10.1002/2017JD026614.
Zdjęcie główne: Andre Benz | Unsplash
Grzegorz Duniec
IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego/Zakład Prognoz Numerycznych COSMO. Doktor nauk fizycznych. Zawodowo specjalizuje się w zagadnieniach związanych z elektrycznością atmosfery i mechanizmami fizycznymi elektryzacji chmur. W ramach projektów naukowo-badawczych w konsorcjum COSMO zajmuje się parametryzacją procesów fizycznych zachodzących w glebie i pracuje nad rozwojem numerycznych meteorologicznych prognoz wiązkowych.
Monika Hajto
IMGW-PIB/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju/Zakład Teledetekcji Satelitarnej. Starszy specjalista badawczo-techniczny w IMGW-PIB, doktorantka w UJ, mgr ochrony środowiska. Zajmuje się głównie klimatologią obszarów zurbanizowanych, w szczególności miejską wyspą ciepła, a także zastosowaniem danych satelitarnych w meteorologii, klimatologii i ochronie atmosfery.
Adam Jaczewski
IMGW-PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego/Zakład Analiz Meteorologicznych i Prognoz Długoterminowych. Adiunkt w IMGW-PIB, doktor Nauk o Ziemi, stypendysta programu Marie Curie Szóstego Programu Ramowego. Specjalizuje się w modelowaniu klimatu i pogody oraz weryfikacją wyników tych modeli. W konsorcjum COSMO pracuje nad implementacją parametryzacji miejskiej w numerycznym modelu pogody. Zajmuje się również oceną zmian i zmienności klimatu, szczególnie w zakresie zjawisk ekstremalnych.
[…] informacje i teksty na temat burz znajdziesz w magazynie Obserwator IMGW-PIB:→ https://obserwator.imgw.pl/czy-miasto-napedza-burze/→ […]
[…] nad miasto coraz częściej towarzyszą im deszcze nawalne, silne, niszczycielskie porywy wiatru i burze. Efektem tego jest wydatkowanie znacznych środków przez władze miast i miasteczek – oraz […]