Photo by Johannes Plenio on Unsplash

Written by 10:00 Klimat, Meteo

Lubię burze – uczą człowieka pokory wobec natury

Mateusz Barczyk/Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, IMGW-PIB

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.

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.

Mapa średniej rocznej liczby uderzeń pioruna na kilometr kwadratowy w latach 1995-2013
Mapa średniej rocznej liczby uderzeń pioruna na kilometr kwadratowy w latach 1995-2013. Kolorem szarym i fioletowym zaznaczono obszary o najmniejszej aktywności burzowej, kolor jasnoróżowy to rejony, gdzie liczba uderzeń pioruna wyniosła w ciągu roku ponad 150/km2 (źródło: NASA Earth Observatory, image by Joshua Stevens)

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.

Przykład wyładowania atmosferycznego typu cloud to cloud
Przykład wyładowania atmosferycznego typu cloud to cloud
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.

Photo by Arisa Chattasa on Unsplash
Photo by Arisa Chattasa on Unsplash

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/.

Obraz z radaru meteorologicznego, prezentujący intensyfikację superkomórki burzowej, która 7 lipca 2017 roku przeszła w okolicach Kędzierzyna-Koźla.
Obraz z radaru meteorologicznego, prezentujący intensyfikację superkomórki burzowej, która 7 lipca 2017 roku przeszła w okolicach Kędzierzyna-Koźla. Po lewej obraz odbiciowości pokazujący kształt struktury burzowej. Po prawej obraz wiatru dopplerowskiego z prędkościami przemieszczania się hydrometeorów, odbijających w kierunku radialnym do i od radaru (pozwala on na identyfikację silnego wiatru oraz procesów typu rotacja pola wiatru mezocyklonu).
Objaśnienia: hook echo – echo haczykowe uformowane przez silny strumień powietrza wciąganego do chmury; TDS (ang. Tornado Debris Singature) – sygnatura obiektów unoszonych przez tornado
Obraz z radaru meteorologicznego z sygnaturą BWER
Obraz z radaru meteorologicznego z sygnaturą BWER (ang. Bounded Weak Echo Region) prezentujący obudowane pasmo słabego echa podczas burzy, która 29 czerwca 2020 roku przeszła na północ od Krakowa. Takie słabe echo jest świadectwem bardzo silnego prądu wznoszącego, który rozprasza na boki hydrometeory. Na grafice po prawej stronie zaznaczono rotację zarejestrowaną na wysokości 100 m n.p.g. – świadectwo dużego prawdopodobieństwa trąby powietrznej

Mateusz Barczyk | Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, IMGW-PIB

Zdjęcie główne: Johannes Plenio | Unplash

(Visited 651 times, 1 visits today)
Close