Rozbudowana chmura Cumulonimbus
Chmury Cumulonimbus (Cb) są dobrze znane wszystkim interesującym się meteorologią. Poza burzami mogą przynosić one ulewne opady, grad, silny wiatr, a czasem tornada. Jako chmury rozbudowy pionowej tworzą one wypiętrzone struktury o znacznej wysokości oraz mają rozmaite rozmiary i kształty. W artykule zostanie krótko opisany mechanizm powstawania chmur Cb oraz będą omówione inne aspekty związane z pionową rozbudową chmur Cumulonimbus.
Warunki powstawania chmur Cb
Chmury Cb mogą powstawać, gdy w atmosferze panuje tzw. równowaga chwiejna (niestabilność, chwiejność). Oznacza to, że powietrze uniesione na pewną wysokość dalej zacznie wznosić się samo. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie kondensacji wydzielane jest ciepło, dzięki któremu wznoszące się powietrze jest cieplejsze (a więc lżejsze) od otoczenia. Dzięki tej wyporności kontynuuje ono proces wznoszenia do wyższych warstw atmosfery formując rozbudowaną chmurę kłębiastą. Uogólniając, aby troposfera była chwiejna muszą być spełnione dwa ważne warunki: odpowiednio duży pionowy gradient temperatury (czyli tempo jej spadku wraz z wysokością) oraz wystarczająca wilgotność obecna w dolnej troposferze.
Mechanizm powstawania chmur Cumulonimbus
Diagram aerologiczny i schemat budowy Cumulonimbusa
Do opisania mechanizmu powstawania chmury Cumulonimbus zostanie użyty rysunek obok, gdzie diagram termodynamiczny (więcej na ten temat tutaj) został zestawiony ze schematem chmury Cb. Powietrze z poziomu gruntu (ang. ground level – GL) jest unoszone do góry – mechanizmem inicjującym unoszenie może być np. konwergencja lub silne nagrzanie terenu. W trakcie unoszenia ochładza się ono suchoadiabatycznie (z prędkością niecałych 10 stopni na kilometr wysokości), a jego wilgotność względna rośnie. W momencie, gdy wilgotność względna osiągnie 100 procent (temperatura zrówna się z temperaturą punktu rosy), rozpoczyna się kondensacja. Dzieje się to na tzw. poziomie kondensacji (ang. lifted condensation level – LCL) – na tej wysokości mamy podstawę chmury Cumulonimbus. Od tego momentu w czasie unoszenia powietrza wydzielane jest ciepło przemiany fazowej, dzięki któremu tempo spadku temperatury jest niższe (w tym przypadku około 5 stopni na kilometr wysokości). Jeżeli mechanizm wznoszący trwa dalej, to porcja wznoszącego się powietrza osiąga poziom swobodnej konwekcji (ang. level of free convection – LFC). Do tej pory wznoszące się powietrze (czarna linia ze strzałkami) było chłodniejsze (a więc cięższe) od otoczenia (czerwona linia). Aby unieść je do poziomu LFC należało wykonać pewną pracę, która jest określana przez wartość energii hamującej konwekcję (CIN – w praktyce dość często poziomy LCL i LFC leżą na tej samej wysokości, a energia hamowania CIN wynosi 0). Powyżej poziomu LFC porcja powietrza staje się cieplejsza (lżejsza) od otoczenia i dalej wznosi się już sama. Powietrze wznosi się coraz wyżej formując potężne skłębienia (widoczne na schemacie). Nie trwa to jednak wiecznie i w pewnym momencie przestaje być ono cieplejsze od otoczenia – dzieje się tak na tzw. poziomie równowagi (ang. equilibrium level – EL). Poziom równowagi na ogół określa przybliżoną wysokość wierzchołków chmur Cb – na tym poziomie powietrze traci wyporność i zaczyna rozpływać się na boki tworząc kowadło. Wyjątkiem są przestrzały ponad poziom kowadła (o tym w następnym paragrafie). W sprzyjających warunkach poziom EL znajduje się w pobliżu tropopauzy, która w zależności od szerokości geograficznej i pory roku znajduje się na wysokości od 6 do 17 km. W rejonie tropopauzy temperatura przestaje spadać wraz z wysokością lub tempo jej spadku znacząco maleje i dlatego powietrze wznoszące się w prądzie wstępującym traci wyporność. W tym przypadku (schemat) poziom EL jest na wysokości 13 km. W mniej sprzyjających warunkach (mała chwiejność lub inwersje) poziom EL może znajdować się wiele kilometrów poniżej tropopauzy – wówczas konwekcja jest płytsza, a chmury kłębiaste mniej okazałe.
Przebicia ponad poziom kowadła
Zimne wierzchołki widoczne na zdjęciu satelitarnym
W niektórych przypadkach (jak na wcześniejszym schemacie) prąd wstępujący chmury burzowej jest bardzo silny i po przekroczeniu EL kontynuuje wznoszenie tak długo, że osiąga wysokość znacznie przekraczającą poziom równowagi. Takie przebicie kowadła (ang. overshooting top – OT) przyjmuje zwykle kształt kopuły i może osiągać od 1 do 3 km wysokości (ponad poziom kowadła). Wznoszące się dalej powietrze w końcu straci całą energię kinetyczną (na skutek negatywnej wyporności) i osiągnie najwyższy poziom (ang. maximum parcel level – MPL). Teoretycznie poziom MPL można obliczyć – zintegrowany obszar negatywnej wyporności pomiędzy EL i MPL powinien równoważyć energię CAPE (między LFC i EL). W praktyce cała energia konwekcji na ogół nie jest wyzwalana i takie obliczenie może być obarczone pewnym błędem.
Wyraźny i długo utrzymujący się przestrzał (OT) może być zwiastunem gwałtownych zjawisk pogodowych (duży grad, silny szkwał czy tornado) i często pojawia się on w superkomórkach burzowych. Silne superkomórki w porze letniej są u nas najbardziej rozbudowanymi w pionie chmurami – niektóre mogą przebijać się przez tropopauzę do wysokości kilkunastu kilometrów. Największe przebicia są dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych w podczerwieni – w postaci wierzchołków znacznie zimniejszych (o temperaturze nawet -70°C i mniej!) od otaczającego je kowadła. Na zdjęciu powyżej sytuacja z 15 sierpnia 2008 (seria tornad w Polsce), gdzie widoczne są wyraźne przestrzały związane z superkomórkami burzowymi. Również na zdjęciach w świetle widzialnym OT są dobrze widocznie, zwłaszcza z rana i pod wieczór (niski kąt padania promieni słonecznych).
Temperatura wierzchołków chmur Cb, a ich wysokość
Odczyt wysokości chmury z sondażu
Do wyznaczenia wysokości chmur Cb na podstawie temperatury wierzchołków chmur używa się zwykle diagramu aerologicznego. Odbywa się to poprzez znalezienie na krzywej stratyfikacji punktu, którego temperatura odpowiada temperaturze wierzchołka chmury. Wysokość tego punktu w przybliżeniu powinna odpowiadać wysokości chmury Cb. Posługując się sondażem obok wierzchołki o temperaturze -40°C odpowiadają wysokości około 8,5 km (czerwone kółko). W przypadku przebić ponad kowadło sprawa jest trudniejsza, ponieważ mogą one mieć temperatury nawet o 20 stopni niższe od temperatury otoczenia. W takiej sytuacji rozwiązaniem może być prześledzenie na diagramie krzywej stanu, aż do momentu, w którym unoszące się powietrze osiągnie daną temperaturę (może to mieć miejsce nawet kilka kilometrów powyżej tropopauzy). Dysponując powyższym sondażem możemy np. odczytać, że przestrzał o temperaturze -70°C znajduje się na wysokości około 13 km (czarne kółko). Istotne jest jednak, by posiadać sondaż odzwierciedlający rzeczywiste warunki, co nie zawsze jest możliwe. Również ze względu na niedokładności związane z pomiarem temperary wierzchołków metody na nim oparte mogą być mniej precyzyjne od innych metod. Aby wyznaczyć temperaturę wierzchołka chmury analizuje się jej widmo promieniowania. Z powodu dużej miąższości chmur konwekcyjnych w uproszczeniu zakłada się, że zachowują się jak ciała doskonale czarne i nie przepuszczają promioniowania z niższych warstw troposfery. Może to prowadzić do pewnych błędów – ustalono, że takie metody mogą niedoszacowywać wysokości chmur Cb o 1 km, a w przypadku bardzo silnie wypiętrzonych chmur nawet o 2 km.
Rozbudowa pionowa chmur Cb o różnych porach roku
Cumulonimbus w chłodnej porze roku
Zimą chmury Cb rozwijające się w Polsce na ogół nie są zbyt rozbudowane w pionie. Ze względu na niewielką chwiejność i niski poziom tropopauzy osiągają z reguły do 4-6 km wysokości. Przynoszą one śnieżyce, a czasem (w przypadku nieco wyżej wypiętrzonych chmur) nawet wyładowania atmosferyczne. Przykładowy diagram ilustruje sondaż wykonany w Łebie w marcu 2012 roku typowy dla rozwoju „zimowych” Cb. Za sprawą spływu chłodnej masy powietrza tropopauza znajduje się na wysokości około 6 kilometrów, a poziom równowagi jest jeszcze niżej (4,2 km). W rezultacie w Łebie powstały chmury Cb dające przelotne opady śniegu.
Wiosną do naszego kraju zaczynają napływać cieplejsze i wilgotniejsze masy powietrza, a poziom tropopauzy się podnosi. Chmury Cumulonimbus rozwijają się do większych wysokości (na ogół 7-9 km) i w związku z tym obserwujemy wówczas rozwój pierwszych, porządniejszych burz w sezonie. Niekiedy przynoszą one również gwałtowniejsze zjawiska. Na przykładowym diagramie widać warunki panujące w Legionowie w kwietniu 1999 roku. Poziom tropopauzy to około 9-9,5 km nad ziemią, a poziom równowagi osiąga 8,5 km. Typowe warunki na wiosenne burze.
Potężnie wypiętrzony Cumulonimbus (fot. Tomasz Machowski)
Latem w Polsce zdarzają się napływy gorącego i wilgotnego powietrza zwrotnikowego (lub polarnego ciepłego znad Morza Czarnego). Wówczas, w warunkach dużej chwiejności i przy wysokim poziomie tropopauzy, rozwijają się szczególnie rozbudowane w pionie chmury Cumulonimbus. Osiągają one zwykle 10-12 km wysokości, ale wierzchołki Cb-ków o najsilniejszych prądach wstępujących potrafią przebić się ponad poziom kowadła do imponującej wysokości 14-16 km. Takim chmurom towarzyszą często najgwałtowniejsze w sezonie zjawiska pogodowe. Na zdjęciu obok silnie wypiętrzona superkomórka (z widocznym OT) widoczna z kilkudziesięciu kilometrów, która 12.06.2010 spowodowała opady wielkiego gradu w woj. Świętokrzyskim. Załączony diagram ukazuje sondaż z Popradu z naniesionymi danymi przyziemnymi z Tarnowa. Przybliża on warunki panujące w trakcie rozwoju tej superkomórki. W gorącej, zwrotnikowej masie powietrza występowała bardzo duża chwiejność (CAPE około 2800 J/kg), a poziom równowagi wynosił niemal 13 km, co należy do najwyższych wartości notowanych na terenie Polski. Stąd jest wielce prawdopodobne, że wierzchołek superkomórki z omawianego zdjęcia sięgał wysokości 15 kilometrów. Jako ciekawostkę warto dodać, że tego dnia w kilku innych miejscach (m. in. w Sandomierzu) notowano jeszcze lepsze warunki (temp. p. rosy rzędu 21-22°C), a chwiejność mogła tam osiągać nawet 4000 J/kg, co jest w Polsce wartością ekstremalnie dużą.
Ekstremalnie wypiętrzone Cumulonimbusy
Porównanie wielkości chmur Cb
Nie notuje się rekordów wysokości chmur Cumulonimbus, a takie dane w wielu przypadkach trudno jest uzyskać lub zweryfikować. W Polsce kowadła Cb-ków w bardzo sprzyjających warunkach osiągać mogą około 13 km wysokości, natomiast przebicia przez tropopauzę 14-16 km wysokości. Dane radarowe w najbardziej ekstremalnym przypadku (15.08.2008) ukazywały słabe echa nawet na wysokości 17-18 km! One jednak również mogą być obciążone pewnym błędem – możliwe, że wartości są zawyżone. Jeżeli nie, oznaczałoby to, że nasze burze mogą niewiele ustępować tym tropikalnym. Dla porównania w artykule opisującym potężnie wypiętrzoną burze z Indii podaje się wysokość 18,3 km przy temperaturze wierzchołków chmur na poziomie…-105°C. W strefie tropikalnej (ze względu na tropopauzę sięgającą nawet 16-17 km) chmury Cb mogą rozwijać się wyjątkowo wysoko. Istnieją różne szacunki na temat maksymalnej wysokości tych chmur. Te najwyższe z pewnością rozwijają się w ekstremalnie sprzyjających warunkach. Załączony sondaż z Kalkuty takie warunki ilustruje. CAPE na poziomie 10000 J/kg (nie pomyliłem liczby zer) należy do najwyższych osiąganych na kuli ziemskiej (przy poziomie równowagi sięgającym niecałych 17 km). Jak wysoko może rozwinąć się burza w takich warunkach? Biorąc pod uwagę możliwość silnego przebicia przez tropopauzę przez nadzwyczaj potężne prądy wstępujące wysokość nawet 20-21 km wydaje się być możliwa. To z pewnością nie jest zimowy Cb-ek.
Maksymalna odległość obserwacji chmur Cumulonimbus
Wysoko wypiętrzone chmury Cumulonimbus są dobrze widoczne z dużych odległości. Przy założeniu, że rozległe kowadło chmury Cb osiąga latem 12 km okazuje się, że teoretycznie (przy braku przeszkód terenowych, zachmurzenia i bardzo dobrej przejrzystości powietrza) wierzchołek kowadła można zobaczyć z odległości dochodzących do 390 km. Można do tego dojść obliczając odległość do horyzontu (przy założeniu, że ziemia jest kulą). W praktycznej obserwacji ważne jest jednak, by istotna część Cb-ka (np. około połowy) znajdowała się nad horyzontem. W takiej sytuacji możemy wciąż obserwować Cumulonimbusa z bardzo dużych odległości rzędu 250-300 km. Dotychczasowe obliczenia dotyczyły terenu płaskiego, ale znajdując się na górze o wysokości względnej kilometra (np. Giewont) horyzont „poszerza” nam się o ponad 100 km. Analogicznie w sprzyjających warunkach można obserwować nocne wyładowania z ogromnych odległości. Widoczne z daleka chmury Cumulonimbus powodują pewne efekty również w życiu codziennym. Nieraz zdarza mi się spotkać ludzi (nieobeznanych z meteorologią) określających odległego Cb-ka mianem „pięknej, białej chmurki” i nie wierzących, że tam może być gwałtowna burza. Dopiero, gdy zbliżająca się biała chmurka rośnie w oczach i ukazuje granatowy „brzuch”, zmieniają zdanie.
