Burza w zimie nie jest niczym zaskakującym, a tym bardziej zjawiska tego nie można zakwalifikować jako anomalii. Procesy fizyczne, w wyniku których powstaje burza są takie same dla przypadków letnich, jak i zimowych. Pora roku nie wpływa wiec na fizykę procesu, a jedynie na częstotliwość występowania burz i czas ich trwania.
AUTORZY:
Grzegorze Duniec, IMGW/PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego
Mariusz J. Figurski, IMGW/PIB/Centrum Modelowania Meteorologicznego
Z fizycznego punktu widzenia, aby mogła powstać burza musi być spełnionych kilka warunków, takich jak[i]:
a) masa powietrza powinna mieć równowagę chwiejną;
b) w dolnej warstwie atmosfery powinna znajdować się duża ilość pary wodnej;
c) muszą występować konwekcyjne i dynamiczne unoszenie się powietrza;
d) temperatura powietrza w warstwie przyziemnej powinna być wysoka.
15 stycznia 2024 roku wszystkie warunki do powstania burzy były spełnione. Tego dnia pogodę w Polsce kształtował układ niskiego ciśnienia, przemieszczający się znad południowej Szwecji nad Bałtyk w kierunku wschodnim. O godzinie 12 UTC ciśnienie w centrum wynosiło 977 hPa. Niż nieznacznie się jeszcze pogłębiał. W godzinach wieczornych ośrodek znajdował się już nad Łotwą, a głębokość wiru cyklonicznego nie uległa zasadniczej zmianie. W ciągu dnia z zachodu na wschód wędrował znajdujący się w zatoce front okluzji o charakterze frontu chłodnego. Do Polski napływało powietrze polarno-morskie o równowadze chwiejnej. W ciągu dnia rozbudowywały się chmury Cumulonimbus, które w okresie zimowym nie są tak spektakularne, jak te z okresu letniego, ale również mogą przynosić gwałtowne w przebiegu burze.
Wilgotność w warstwie przyziemnej wzrastała wraz z wysokością bardzo szybko. Pionowy gradient temperatury w warstwie o grubości 1 km wynosił 7,4-9,4 K/km. W ciągu dnia występowały opady przelotnego śniegu i krupy śnieżnej, których intensywność miejscami była dość duża, a także zamiecie śnieżne. Wierzchołki chmur Cumulonimbus lokalnie mogły osiągać wysokość 5-5,5 km. W poniedziałek 15 stycznia 2024 r. warunki do elektryzacji chmur Cumulonimbus i inicjalizacji wyładowań były spełnione. W godzinach wieczornych w Polsce centralnej wystąpiły wyładowania atmosferyczne, którym towarzyszyły intensywne opady.
Mechanizmy elektryzacji chmur Cumulonimbus
Aby wystąpiło wyładowanie iskrowe, czyli błyskawica, wymagane jest wygenerowanie w chmurze Cumulonimbus natężenia pola elektrycznego przebicia, którego wartość – przy powierzchni Ziemi, przy ciśnieniu normalnym – wynosi 3 MV/m. Ponieważ natężenie pola elektrycznego przebicia inicjującego wyładowanie elektryczne w gazie zależy wprost proporcjonalnie od ciśnienia (wynika to z empirycznego prawa Paschena), które maleje wraz ze wzrostem wysokości, to wymagana wartość natężenia pola elektrycznego przebicia w chmurze Cumulonimbus waha się w granicach 100-400 kV/m[ii] (w zależności od fazy rozwoju chmury). Aby takie pole elektryczne mogło być wygenerowane, miąższość chmury musi wynosić co najmniej 3-4 km.
Miąższość chmury wpływa na jej aktywność elektryczną – wraz ze wzrostem miąższości zwiększa się częstotliwość inicjacji wyładowań iskrowych. W chmurach niewysokich na ogół rejestruje się pojedyncze wyładowania. Ważną rolę odgrywa tu również mikrofizyka chmur. Dla chmur złożonych z kropel obserwowane były wyładowania, jednak aktywność elektryczna takich chmur jest niska. Sytuacja zmienia się, gdy chmura rozbuduje się do poziomu, gdzie zaczynają się w niej pojawiać kryształki lodowe. Obszar aktywnej elektryzacji chmury Cb pokrywa się z obszarem, gdzie w chmurze występują kryształki lodowe oraz przechłodzone krople wody. Proces elektryzacji i separacji ładunków w chmurach Cb jest powiązany z obszarem rozwoju opadów, głównie krup śnieżnych i zarodzi gradowych.
Mechanizmów odpowiedzialnych za elektryzację chmur jest wiele – najistotniejszym z punktu widzenie elektryzacji chmur Cb wydaje się mechanizm zderzeniowy, który może zachodzić w obecności zewnętrznego pola elektrycznego (mechanizm zderzeniowy indukcyjny) oraz bez udziału zewnętrznego pola elektrycznego (mechanizm zderzeniowy nieindukcyjny). Jak sugerują badania naukowe, mechanizm zderzeniowy nieindukcyjny charakteryzuje się mniejszą skutecznością[iii]. W mechanizmie indukcyjnym w zderzeniu biorą udział cząstki, które są spolaryzowane. Podczas zderzenia następuje transfer ładunków elektrycznych między cząstkami biorącymi udział w zderzeniu – cząstki cięższe otrzymują nadmiar ładunku ujemnego, czyli są naładowane ujemnie i opadają do dołu, a cząstki lżejsze – nadmiar ładunku dodatniego (są naładowane dodatnio) i unoszą się do góry.
Możliwe są zderzenia typu kropla–kropla, kropla–cząstka lodowa oraz cząstka lodowa–cząstka lodowa. Zderzenia kropel są mniej skuteczne w procesie elektryzacji, a to dlatego, że dwie krople mogą się zlewać w jedną większą (mechanizm separacji ładunku nie zajdzie) lub mogą się odbić. Ten pierwszy przypadek zachodzi częściej. W obecności zewnętrznego pola elektrycznego prawdopodobieństwo połączenia kropel w jedną większą jeszcze bardziej wzrasta. Przy zderzeniu kropel z cząstkami lodowymi rośnie również szansa na to, że kropla zamarznie i nie nastąpi ich separacja. W mechanizmie elektryzacji chmury Cb najistotniejsze są zderzenia cząstek krupy śnieżnej, które powstają w obszarze silnych prądów wstępujących chmury, z małymi kryształkami lodowymi[iv]. Transfer ładunku, inicjowany w chwili kontaktu, spowodowany jest różnymi potencjałami elektrycznymi cząstek. Kiedy zderzają się ze sobą dwie cząstki chmurowe, układ dąży do wyrównania potencjału elektrycznego, co jest możliwe tylko w wyniku transferu ładunku. Wielkość przetransferowanego ładunku będzie zależała od czasu trwania kontaktu, który jest na ogół krótszy od czasu wymaganego do wyrównaniu potencjałów. Wielkość ładunku transportowanego pomiędzy cząstkami biorącymi udział w zderzeniu oraz jego znak zależą od temperatury otoczenia, wodności chmury, a także prędkości zderzenia. W temperaturze –10 st. Celsjusza następuje zmiana znaku ładunku na przeciwny, co potwierdzają dane eksperymentalne[v].
Jak już wspomniano wyżej, zderzające się cząstki nie są jednakowych rozmiarów. Cząstki cięższe naładowane ujemnie, np. krupa śnieżna, będą opadać, natomiast lżejsze – naładowane dodatnio – mogą się wznosić wraz z prądami powietrza. Takie zachowanie cząstek po zderzeniu zapewnia separacje ładunku elektrycznego. W chmurze Cumulonimbus, w strefie pomiędzy izotermami –5 a –20 st. Celsjusza, tworzy się centrum ładunku ujemnego. Według niektórych publikacji centrum ładunku ujemnego zlokalizowane jest w warstwie o grubości około 1 km, które rozciąga się horyzontalnie na wiele kilometrów. Powyżej zalega bardziej rozproszona strefa ładunku dodatniego. Poniżej ujemnego centrum ładunku tworzy się trzecia, zlokalizowana w pobliżu podstawy chmury, w obszarze o temperaturze od 0 do –10 st. Celsjusza, strefa ładunku dodatniego[vi]. Ujemny ładunek również występuje w górnej warstwie, otaczającej górny obszar chmury łącznie z kowadłem incus chmury. Przyczyny pojawienia się w tym obszarze chmury ładunku ujemnego upatrywać należy w tym, że występujące jony, których źródłem jest promieniowanie kosmiczne, są przyciągane przez centrum ładunku dodatniego znajdującego się w górnej części chmury.
W typowym modelu letniej chmury Cumulonimbus centrum ładunku ujemnego znajduje się na wysokości około 7 km, a rozproszone centrum ładunku dodatniego wyżej, na około 12 km. Trzecie, słabsze centrum ładunku dodatniego znajduje się w pobliżu podstawy chmury (około 2 km). W strefie górnego rozproszonego centrum ładunku dodatniego zalegają kryształy chmurowe, które są naładowane dodatnio. Niżej, w obszarze ujemnego centrum ładunku, znajdują się m.in. cząstki krupy śnieżniej, które naładowane są ujemnie. W niewielkim, dolnym centrum dodatnim zalegają cząstki krupy śnieżnej, kropel deszczu, płatków śnieżnych, które są naładowane dodatnio. Należy podkreślić, że podane wyżej wysokości poszczególnych centrów mogą się różnić w zależności od miąższości chmury. W dwóch głównych zasadniczych centrach ładunkowych gromadzi się ładunek rzędu 40 C. W trzecim centrum ładunku dodatniego gromadzi się słabszy ładunek o wartości około 3 C[vii].
Jak wskazują badania, aby w chmurze Cumulonimbus mogło być zainicjowane wyładowanie iskrowe, chmura musi mieć miąższość co najmniej 3-4 km. Wysokim chmurom towarzyszy duża aktywność elektryczna. W procesie elektryzacji dużą rolę odgrywa struktura fazowa chmury. Jak już wspomniano wcześniej, z punktu widzenia mechanizmu elektryzacji istotną rolę odgrywają chmury, które oprócz kropel, które mogą być silnie przechłodzone, zawierają także cząstki stałe, takie jak kryształki lodu, krupy śnieżne, ziarna lodowe, płatki śniegowe czy cząstki gradu[viii]ix. Aktywność elektryczna chmury także wzrasta z aktywnością konwekcyjną. Wyładowanie jest inicjowane w obszarze, gdzie występuje duże natężenie opadu.
Utworzenie warstw ładunku wewnątrz chmury powoduje powstanie pola elektrycznego. Początkowo tempo wzrostu natężenia pola elektrycznego jest małe, ale gdy natężenie przekroczy 1 kV/m, wówczas tempo to się zwiększa. Kiedy pole elektryczne osiągnie odpowiednią wartość, inicjowane jest wyładowanie iskrowe w chmurze, czyli błyskawica. W sytuacji, gdy przepływ ładunku elektrycznego zachodzi pomiędzy centrami ładunków elektrycznych, ale dwóch różnych chmur Cumulonimbus, wówczas następuje tzw. wyładowanie między chmurowe (chmura–chmura). Ponieważ wewnątrz chmury Cumulonimbus znajdują się ładunki elektryczne, które są źródłem pola elektrycznego, wokół chmury gromadzą się ładunki elektryczne o przeciwnym znaku. W sprzyjających warunkach może nastąpić przepływ ładunku elektrycznego pomiędzy centrum w chmurze Cb a ładunkiem elektrycznych zgromadzonym na zewnątrz, wówczas takie wyładowanie nazywamy wyładowaniem chmura–powietrze. Innym rodzajem wyładowań są wyładowania doziemne. Mogą obyć dodatnie lub ujemne, w zależności od obszaru inicjacji (inicjacja z obszaru dodatniego lub ujemnego centrum ładunku chmury), i inicjowane z chmury lub z powierzchni ziemi[ix].
Jak już wcześniej wspomniano, z fizyki chmur wynika, że aby nastąpiło wyładowanie chmura musi mieć miąższość co najmniej 3-4 km. Wiemy również, że wysokie chmury Cumulonimbus są źródłem częstych wyładowań. Zimowe chmury Cumulonimbus nie są aż tak bardzo wypiętrzone jak w okresie letnim. Grubość chmur Cb zimą może być mniejsza niż 3-4 km. Oczywiście w chmurze o mniejszej grubości procesy elektryzacji również zachodzą, jednak wytworzone pole elektryczne jest za słabe, aby mogły być zainicjowane wyładowania iskrowe. Dlatego w okresie zimowym burze zdarzają się sporadycznie, a jeżeli już wystąpią, to na ogół obserwujemy jedno lub kilka wyładowań, co jest spowodowane niewielką grubością chmury. 15 stycznia 2024 roku lokalnie chmury Cumulonimbus mogły rozbudować się do wysokości około 5-5,5 km. Tworzyły je nie tylko kryształki lodowe czy płatki śniegu, ale również cząstki krupy śnieżnej. Występujące warunki były wystarczające do tego, aby w chmurach powstało pole elektryczne, wystarczające do inicjalizacji wyładowań iskrowych, czego byliśmy świadkami.
Burze zimą w tradycji ludowej
Z naszej analizy wynika wprost, że burza w okresie zimowym nie powinna być postrzegana jako anomalia pogodowa i nie powinniśmy robić z tego sensacji. Burze zimą powstają w podobny sposób, jak w sezonie konwekcyjnym, czyli w okresie letnim. Na obszarze Europy Centralnej i oczywiście w Polsce występowanie zjawiska burz zimą jest czymś normalnym, ale stosunkowo rzadkim, dlatego prawdopodobnie dla wielu osób jest dużym zaskoczeniem. W IMGW-PIB zjawiska wyładowań w okresie zimowym są rejestrowane dość często, ale przeważnie są to wyładowania w chmurach.
Wiele osób przy okazji występowania burz zimą zastanawia się, co one zwiastują w przyszłości. W tym miejscu musimy odejść od fizycznego opisu zjawisk meteorologicznych i odwołać się do porzekadeł oraz przysłów ludowych, które należy traktować w kategorii ciekawostek, a nie sprawdzonych teorii naukowych. Nasi przodkowie nie dysponowali rozwiniętym aparatem matematycznym, superkomputerami, satelitami i sieciami pomiarów meteorologicznych, ale bardzo uważnie obserwowali przyrodę i potrafili wykorzystując analogie w cykliczności zjawisk przyrodniczych, przewidywać pogodę z lepszym lub gorszym skutkiem. Tradycja obserwowania przyrody pozostała do dzisiaj, wielu ludzi bardziej polega na sygnałach pochodzących od środowiska przyrodniczego niż z synoptycznych lub numerycznych prognoz pogody w mediach. Nie inaczej jest z burzami w zimie, z którymi związanych jest co najmniej kilka przysłów ludowych. Co prawda przysłowia są przekazywane głównie w formie ustnej, ale istnieje na rynku polskim ciekawa pozycja, stanowiąca zbiór przysłów ludowych dotyczących meteorologii ludowej, tj. „Wieści pogodowe według meteorologii ludowej” autorstwa Bożeny Błaszczyńskiej. W tej intrygującej, mało znanej pozycji odszukaliśmy kilka przysłów mówiących o burzach w zimie, co jednocześnie dowodzi, że występowały one w przeszłości na terenie Polski.
„W styczniu grzmoty, częste słoty”.
„Gdy styczeń burzliwy z śniegami, lato burzliwe z deszczami”.
„Burza na początku stycznia przepowiada wojnę, konflikty państwowe, upadek państw, kataklizmy, katastrofy”.
„W lutym aura burzliwa – wiosna rychliwa”.
„W lutym, gdy zagrzmi od wschodniego boku, burze i wiatry walne są w tym roku”.
Zacytowane przysłowia są tylko przykładami pokazującymi, że wiele zjawisk atmosferycznych obserwowanych przez współczesnych, takich jak np. zimowe burze, było dobrze znanych w przeszłości. Brak powszechnego dostępu do mediów pobudzał kreatywność ludzi do obserwacji przyrody i poszukiwania w niej cykliczności, co jeszcze do dziś kultywują polscy rolnicy i górale prezentując ludowe prognozy pogody, ale trudno ocenić ich sprawdzalność z powodu jakościowego, a nie ilościowego charakteru. Bez względu na to, stanowią one ważną część naszego folkloru.
[i] Szewczak P., 2014, Meteorologia dla pilota samolotowego, Avia-Test, Poznań.
[ii] Klett P., 1995, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer.
[iii] Cooray V., 2014, The Lightning Flash, The Institute of Engineering and Technology, 2nd edition.
[iv] Houze R.A. Jr., 2014, Clouds Dynamics, Elsevier Inc, 2nd edition.
[v] MacGorman D.R., Rust W.D., 1998, The Electrical Nature of Storm, Oxford University Press.
[vi] Pruppacher H.R., Klett J.D., 1996, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer.
[vii] Rakov V.A., Uman M.A., 03, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press.
[viii] Międzynarodowy Atlas Chmur, 1956, PIHM-ŚOM.
[ix] Bodzak P., 2007, Detekcja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych, IMGW, Warszawa.
Zdjęcie główne: Aaron Burden | Unsplash.
