Czas piorunów, czyli czym właściwie jest chmura burzowa

Od maja do października przy ujściu rzeki Catatumbo do wielkiego jeziora Maracaibo w Wenezueli w każdą noc szaleje gigantyczna burza trwająca aż do rana. Istnieją na świecie inne miejsca faworyzowane przez burze, ale drugiego takiego fenomenu nie znajdziemy na globie. Niezwykłe zjawisko widać z odległości ok. 40 km. Odradza się co wieczór – zawsze w tym samym miejscu i z tak zadziwiającą regularnością, że miejscowi nazywają je latarnią Maracaibo. Notoryczna burza, podczas której niebo przeszywa kilkaset błyskawic na godzinę, ułatwia bowiem rybakom połowy, a statkom – żeglugę po olbrzymim zbiorniku.

AUTOR: Andrzej Hołdys/Wiedza i Życie

Geneza burz nad Catatumbo ma związek z ukształtowaniem terenu. Rozległe jezioro Maracaibo w rzeczywistości nie jest jeziorem (choć kiedyś nim było), ale zatoką Morza Karaibskiego. Sąsiaduje z niebotycznymi pasmami Andów, wznoszącymi się na wysokość 5 km. Kiedy zapada noc, wysoko w górach zrywa się chłodny wiatr, który spływa w stronę jeziora i otaczających je olbrzymich mokradeł. Tu spotyka się z ciepłym i wilgotnym powietrzem rozgrzanym przez równikowe słońce. W strefie kontaktu obu mas powietrza błyskawicznie rozwijają się chmury, które rosną i rosną. Mniej więcej po godzinie od zachodu słońca uderza pierwszy piorun, potem kolejny i następny. Po kwadransie burza nad Catatumbo szaleje już na całego i trwa nawet przez 10 godz.

Zjawisko jest tak niezwykłe, że UNESCO zastanawia się, czy nie umieścić ujścia Catatumbo na Liście Światowego Dziedzictwa Ludzkości. Szacuje się, że rocznie następuje tu ponad 500 tys. wyładowań atmosferycznych. Takie dziwo prawdziwy amator burz powinien koniecznie zobaczyć! Zresztą są tacy, którzy mu to umożliwią. Wiele lokalnych biur turystycznych organizuje wyprawy do starych wiosek rybackich zbudowanych na wodzie i mokradłach, takich jak Ologa i Congo. Tam można z bliska oglądać – i fotografować! – niezwykły burzowy spektakl.

W poszukiwaniu piorunów

Co jednak ciekawe, to nie Ameryka Południowa z jeziorem Maracaibo, ale Afryka jest najbardziej burzowym kontynentem na globie. Wyładowania atmosferyczne zdarzają się tam w pasach tropikalnych ulew występujących po obu stronach równika. Drugie po Catatumbo najczęściej nawiedzane przez pioruny miejsce to góry Mitumba na wschodzie Demokratycznej Republiki Konga. W Azji z kolei najbardziej burzowo jest u podnóży Himalajów. Szczyt wyładowań przypada na lato i jesień, kiedy znad Oceanu Indyjskiego dociera tu ciepły i bardzo wilgotny monsun, z którym wiążą się też rekordowe, największe na świecie opady deszczu.

A w Europie? Satelitarne i naziemne systemy rejestracji wyładowań atmosferycznych zgodnie umieszczają na pierwszym miejscu północne Włochy. Szczególnie chętnie pioruny uderzają tam, gdzie ciepłe Morze Adriatyckie zbliża się do południowych stoków Alp. Jak widać, powtarza się tu, choć w znacznie mniejszej skali, sytuacja znana już z Catatumbo: z jednej strony ciepły zbiornik wodny z unoszącym się ponad nim wilgotnym powietrzem, z drugiej strony wysokie góry. Obecność Alp sprawia, że masy wilgotnego powietrza docierającego znad Adriatyku zostają zmuszone do uniesienia się na wysokość wielu kilometrów, co często kończy się ulewą i burzą. Niewiele mniej piorunów niż w północnych Włoszech uderza w leżącą po sąsiedzku małą Słowenię, a także w niedaleki półwysep Istria położony niemal w całości na terenie Chorwacji.

W Polsce najwięcej burz, tak jak w całej Europie, występuje oczywiście w ciepłych miesiącach roku, czyli mniej więcej od maja do września. Wtedy bowiem pojawiają się warunki do rozwoju potężnych chmur kłębiastych deszczowych typu cumulonimbus, które mogą osiągać wysokość ponad 10 km. To w tych chmurach – i tylko w nich – rodzą się pioruny. Aby jednak powstała taka chmura gigant, najpierw ciepłe i wilgotne powietrze musi ruszyć w górę. Może tak się stać w wyniku silnego ogrzania powierzchni gruntu (lub lustra wody) przez promienie słoneczne lub też wypchnięcia ciepłej masy powietrza przez chłodną. Zimą obie sytuacje zdarzają się rzadko w północnej połówce Europy. Z prostego powodu – niskich temperatur i słabego nasłonecznienia. Brakuje energii cieplnej, która napędzałaby rozwój chmur burzowych. Jakbyśmy nalali do garnka wody i postawili go na kuchence, ale zapomnieli włączyć palnik.

Burzliwa stolica

Zimą słoneczny palnik jest w Polsce zwykle wyłączony, ale latem działa całkiem sprawnie. Choć nie żyjemy w tropikach, nasz klimat sprzyja letnim burzom. Występuje ich tu więcej niż w krajach europejskich położonych na zachód i wschód od nas. W Warszawie rocznie notuje się średnio 41 burz – wynika z badań przeprowadzonych przez naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego. Dla porównania w Moskwie stwierdzono ich średnio 35, a w Londynie – zaledwie 14. W tej analizie uwzględniono dane z lat 2005-2009.

Maj jest zwykle jeszcze spokojny. W tym miesiącu w Warszawie zdarza się średnio pięć burz. Prawdziwa kanonada zaczyna się w czerwcu. Meteorolodzy z Okęcia rejestrują wtedy przeciętnie 11 burz, a w całym miesiącu jest siedem dni burzowych (co oznacza, że w niektóre dni nad stolicą pojawia się więcej niż jedna burza). Apogeum trzasków, grzmotów, piorunów, błyskawic i szkwałów przypada na lipiec, kiedy to nad Warszawą pojawia się średnio 12 burz, a dni burzowych mamy aż dziewięć, czyli prawie co trzeci. W tym miesiącu nie tylko Warszawa, ale cała środkowa i południowo-wschodnia Polska staje się jednym z głównych centrów burzowych w Europie. Podobnie wygląda to w sierpniu, który jednak jest trochę spokojniejszy od lipca. We wrześniu zjawisko zaczyna zanikać (w Warszawie notuje się średnio jedną, dwie burze), a od października do marca należy do rzadkości, choć sporadycznie nad Polską potrafi zagrzmieć nawet w styczniu i lutym.

A jak jest w Londynie pod tym względem? Sielanka. To miasto dla tych, którzy boją się piorunów. W całym roku notuje się tam średnio 14 burz, a jedynym miesiącem, gdy pojawia się ich więcej, jest lipiec. Ale i wtedy nie rejestruje się ich zbyt wiele, bo tylko 4-5 w miesiącu. Natomiast w czerwcu i sierpniu nad Londynem grzmi zwykle 1-2 razy. Inaczej dzieje się w kontynentalnej Moskwie, która pod względem liczby burz w ciągu roku ustępuje niewiele Warszawie, ale różni się od niej (i jeszcze bardziej od Londynu) rozkładem rocznym zjawiska. Od października do kwietnia pioruny trzymają się z daleka od stolicy Rosji, za to w lipcu zjawia się nad nią aż 13 burz.

Jak wytłumaczyć tę burzową dominację Warszawy? Przejściowością naszego klimatu, w którym ścierają się ze sobą wpływy morskie i kontynentalne. Nad Londynem występują głównie burze związane z przejściem frontów atmosferycznych, czyli siłowaniem się chłodnych mas powietrza z ciepłymi. Nad Moskwą zdecydowanie przeważają letnie burze związane z nagrzaniem podłoża. U nas są jedne i drugie. Warszawa wyprzedza Londyn i Moskwę pod jednym jeszcze względem – czasu trwania zjawiska. We wszystkich trzech miastach najwięcej jest krótkich burz półgodzinnych, ale te dłuższe właśnie w stolicy Polski zdarzają się najczęściej. Najdłuższa zarejestrowana w okresie 2005-2009 szalała nad Warszawą aż 9 godz.! Ciekawe też, że londyńskie burze, jeśli już się zdarzają, to zazwyczaj przychodzą w porze lunchu, czyli ok. godz. 13:00. Warszawski szczyt burzowy przypada natomiast na 16:00-18:00, a moskiewski jeszcze później – na 18:00-20:00.

Zagadka cumulonimbusa

Wyładowania atmosferyczne to jedne z najstarszych zjawisk naturalnych obserwowanych na Ziemi. Od setek milionów lat wywołują pożary. Nasi przodkowie z epoki kamiennej korzystali z tego naturalnego ognia, zanim sami nauczyli się go wzniecać. W mitach i legendach pioruny odgrywały pierwszoplanową rolę. Najważniejszy grecki bóg Zeus miał przydomek Gromowładny. W znacznie bliższych nam czasach, czyli w cyklu opowieści o Harrym Potterze, główny bohater zostaje potraktowany przez Voldemorta uśmiercającym zaklęciem Avada Kedavra, któremu towarzyszy zielony błysk. Harry’emu udaje się przeżyć, ale na czole pozostaje mu blizna w kształcie błyskawicy. Prawdziwy piorun powstaje w wyniku silnego naelektryzowania chmury burzowej. Dzieje się tak, gdy tworzące chmurę kropelki przechłodzonej wody (mają ujemną temperaturę) oraz kryształki lodu ocierają się o siebie, przekazując sobie ładunki elektryczne. Elektryzowanie poprzez tarcie jest zjawiskiem powszechnym. W podobny sposób można naelektryzować włosy, rozczesując je grzebieniem, albo nadmuchany balon, pocierając go o wełnianą tkaninę.

W chmurze burzowej zjawisko to występuje na znacznie większą, wręcz gigantyczną skalę. W efekcie w jednych jej fragmentach gromadzą się ładunki ujemne (z nadwyżką elektronów), w innych – dodatnie (z niedoborem elektronów). Dokładny przebieg tego procesu nie jest dobrze poznany. Wiadomo, że ważną rolę odgrywają w nim takie zjawiska jak opór powietrza oraz grawitacja. To one decydują o tym, jak rozłożą się ładunki elektryczne w chmurach, jaka będzie pomiędzy nimi różnica potencjałów i – w efekcie – gdzie i kiedy uderzy piorun. Naukowcy chcieliby dowiedzieć się, jak to dokładnie działa, choćby dla celów prognostycznych, ale mimo wielu dekad obserwacji wciąż nie sposób prześledzić wszystkich zjawisk zachodzących wewnątrz konkretnej chmury burzowej.

Sporo natomiast już wiemy o piorunach – o ich powstawaniu i przebiegu. Nie od razu dochodzi do wyładowania. Powietrze w chmurze działa bowiem jak izolator oddzielający od siebie dodatnie i ujemne ładunki. Dopiero gdy różnica potencjału pomiędzy odmiennymi ładunkami staje się naprawdę duża, izolacja przestaje działać i następuje wyładowanie, czyli szybki przepływ strumieni naładowanych cząstek pomiędzy chmurą a powierzchnią Ziemi, a także pomiędzy chmurami, a nawet pomiędzy dwoma odmiennie naładowanymi fragmentami tej samej chmury.

Pioruny trwają zwykle ułamki sekund. Najpierw z chmury spływa ku ziemi względnie nieduża struga ładunków ujemnych, które poruszają się skokowo i zygzakami, a często też rozdzielają się na kilka odnóg w poszukiwaniu drogi, na której będzie najmniejszy opór. Dopiero gdy najłatwiejszy szlak zostanie odkryty, pojawia się wyładowanie główne, znacznie potężniejsze. Naprzeciw niemu wybiega z powierzchni Ziemi strumień cząstek zwany wyładowaniem powrotnym. To on właśnie jest źródłem błyskawicy, czyli błysku światła wyemitowanego przez gazy rozgrzane do temperatury 30000°C. Wszystko to przebiega tak szybko – w ciągu kilku milionowych części sekundy – że ludzkie oko nie potrafi dostrzec, kiedy dokładnie pojawiają się uderzenie i błyskawica. Wszystko zlewa się w całość. Z pewnym opóźnieniem natomiast dociera do naszych uszu grzmot, czyli fala dźwiękowa, która powstaje podczas gwałtownego rozprężenia się powietrza rozgrzanego przez piorun.

Niewidzialne promienie

To, czego nie potrafi dostrzec ludzkie oko, zarejestruje specjalna kamera. Takie kamery buduje od dwóch dekad Joseph Dwyer. Ten amerykański naukowiec ponad 10 lat temu odkrył, że pioruny mogą być źródłem promieniowania rentgenowskiego, niebezpiecznego w większych dawkach dla zdrowia i życia. Dwyer należy do badaczy, którzy uważają, że jeden porządny eksperyment wart jest więcej niż tysiące słów. Przez wiele lat szefował poligonowi badawczemu, gdzie eksperymentuje się z piorunami. Miejsce to, zwane International Center for Lightning Research and Testing, znajduje się w amerykańskim stanie Floryda. Od blisko dwóch dekad strzela się tam do chmur burzowych z małych rakiet ciągnących metalowy przewód. W ten sposób inicjuje się pioruny. Sprowokowane uderzają w wieżę, z której odpalane są pociski.

Dwyer regularnie wsiadał też do samolotu badawczego lecącego na spotkanie z burzami. Twierdzi, że podczas takich ryzykownych misji już dwa razy żegnał się z życiem. Na Florydzie ustawił kamerę własnej roboty, która rejestrowała promieniowanie rentgenowskie. Miała rozmiary dużej lodówki i wykonywała 10 mln kadrów na sekundę. Taka szybkość była niezbędna, ponieważ towarzyszące piorunowi promienie X przemieszczają się niemal z prędkością światła. Zastosowanie zwykłej kamery nie wchodziło w grę także z innego powodu: obdarzone olbrzymią energią promieniowanie przenikałoby przez ściany boczne aparatu, niwecząc wszelkie próby zarejestrowania zjawiska. Stąd tak olbrzymie gabaryty urządzenia. Jego kolejne poprawione wersje okazały się tak czułe, że dostrzegły coś jeszcze: podczas jednego z eksperymentów Dwyer i jego współpracownicy zarejestrowali emisję promieniowania gamma, przenoszącego jeszcze więcej energii niż promieniowanie rentgenowskie.

Z obserwacji badaczy wynika, że uderzeniu pioruna może towarzyszyć emisja naprawdę dużych ilości promieniowania elektromagnetycznego. – Pasażer samolotu, który znajdzie się blisko takiego strumienia cząstek rentgenowskich lub cząstek gamma, zostanie napromieniowany dawką 400 razy większą od tej, którą przyjmuje podczas standardowego prześwietlenia klatki piersiowej – twierdzi Dwyer. Na szczęście prawdopodobieństwo znalezienia się w takiej sytuacji jest znikome. Emisja promieniowania trwa ułamki sekundy, a zasięg niebezpiecznej strefy wynosi 100-200 m. Poza tym niezmiernie rzadko zdarza się, aby samolot znalazł się w niewłaściwym miejscu w niewłaściwej milisekundzie – z wielu bowiem powodów piloci omijają z daleka chmury burzowe.

W miarę coraz dokładniejszych obserwacji chmur burzowych i piorunów przybywa pytań. W zeszłym roku Dwyer i inny naukowiec, David Smith, fizyk z University of California w Santa Cruz, opisali przebieg niezwykłych zjawisk obserwowanych podczas burzy towarzyszącej huraganowi Patricia, który w październiku 2015 r. uderzył w zachodnią część Meksyku. Był to jeden z najpotężniejszych huraganów w historii obserwacji, wiał z rekordową prędkością 345 km/h. Mimo to naukowcy wlecieli do oka tego olbrzymiego wiru, czyli do spokojnej strefy w jego środku. Tam właśnie namierzyli potężny strumień antymaterii, czyli cząstek podobnych do „zwykłych”, ale o przeciwnym znaku. W tym przypadku były to antyelektrony zwane też pozytonami. Zmierzały one ku Ziemi. W tym samym czasie ich „normalne” odpowiedniki, czyli elektrony, pędziły z prędkością bliską prędkości światła w przeciwną stronę – ku wyższym warstwom atmosfery. Ta fontanna naładowanych cząstek doprowadziła do powstania ponad chmurami burzowymi, na wysokości 15–20 km, zjawiska zwanego ziemskim błyskiem gamma. Choć trwa ono ułamki sekund, dochodzi wtedy do uwolnienia wielkich ilości energii. Lepiej trzymać się z daleka od takich miejsc.

Promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma, strumienie cząstek i antycząstek, których zderzenia z atomami i cząstkami gazów atmosferycznych prowadzą do pojawienia się wtórnych fal elektronów i rozbłysków gamma – wszystkie te wysokoenergetyczne zjawiska naukowcy nazywają niewidzialnym piorunem (ang. dark lightning). Wymagają one olbrzymiego potencjału elektrycznego ukrytego w samej chmurze oraz silnych pól elektrycznych generowanych podczas wyładowania. Wygląda na to, że chmura burzowa to wielka elektrownia. Ale nie każdy cumulonimbus może taki być. Ostatnio Dwyer i Smith obserwowali podczas eksperymentów prowadzonych w Japonii dwie chmury burzowe, które przybyły jedna po drugiej. Choć pioruny uderzały z jednej i z drugiej, tylko pierwsza chmura wygenerowała ponad sobą rozbłysk gamma. Był tak potężny, że sparaliżował instrumenty pomiarowe. Tymczasem druga chmura zachowywała się spokojnie. Skąd ta różnica? Zagadka. – Podejrzewamy, że w pierwszej chmurze powstawały podczas wyładowań znacznie silniejsze pola elektryczne, ale, po pierwsze, wcale nie jesteśmy tego pewni, a po drugie – jeśli nawet tak było, to co sprawiło, że druga chmura okazała się mniej energetyczna od pierwszej? Choć badania prowadzimy już drugą dekadę, zagadek wcale nie ubywa. W miejsce tych rozwiązanych pojawiają się nowe – zauważa Dwyer.

Zdjęcie główne: Branimir Balogovic | Unsplash

---

Andrzej Hołdys
Dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”.

Źródło: Onet