Nadchodzi lato, czas Peruna
15 Czerwca 2022Ludzkość korzystała z ognia zapoczątkowanego uderzeniem pioruna, na długo zanim nauczyła się go wzniecać - to pewnie dlatego pioruny odgrywały ważną rolę w mitach i legendach. Łączą one piękno i niszczącą potęgę żywiołu. Burze były i pozostają jednym z najgroźniejszych zjawisk atmosferycznych i choć w każdej sekundzie na naszej planecie powstaje od 50 do 100 wyładowań atmosferycznych, burze nadal skrywają przed nami wiele tajemnic.
Burza jest jednym z najpotężniejszych i najbardziej spektakularnych przejawów działania sił natury. Towarzyszą jej nieodłącznie wyładowania atmosferyczne, które mogą wywoływać pożary. Tym razem spojrzymy w niebo i zachwycimy się piorunami.
Jedni się nimi zachwycają, inni się ich boją. Może to właśnie leżało u podstaw wierzeń antycznych kultur, które insygnia burzowe w postaci piorunów oddawały we władanie tylko najważniejszym bóstwom. Starożytni Grecy wierzyli, że piorunami włada Zeus - ojciec bogów i ludzi, król na Olimpie, u Rzymian - Jowisz, najwyższy władca nieba i ziemi, piorun był jego atrybutem. Nasi słowiańscy przodkowie wierzyli, że to Perun, naczelny bóg panteonu, był gromowładcą. Na Bałkanach piorunami władała Perperuna.
Jak powstaje burza
Burza to głęboka konwekcja objawiająca się wyładowaniami elektrycznymi, intensywnymi opadami deszczu, ale również gradu o średnicy do kilkunastu milimetrów i krupy śnieżnej oraz silnymi porywami wiatru, a nawet występowaniem trąb powietrznych.
Każda burza bierze swój początek od pary wodnej. Najpierw ciepłe i wilgotne powietrze musi się wznieść. Dzieje się tak na skutek silnego ogrzania powierzchni gruntu (lub lustra wody) przez promienie słoneczne lub też wypchnięcia ciepłej masy powietrza przez chłodną. Pionowe ruchy wstępujące powietrza mogą być wywołane przez zbliżające się fronty atmosferyczne oraz lokalne nagrzanie powietrza. W obszarach górskich i na obszarach miejskich konwekcję potęguje ukształtowanie terenu.
Ciepłe i wilgotne powietrze unosi się, w górze dochodzi do jego ochłodzenia i kondensacji pary wodnej. Im cieplejsze powietrze zalega w dolnych partiach i im chłodniejsze w wyższych, tym szybszy proces budowy kłębiastej chmury burzowej Cumulonimbus. Rozciągłość pionowa tych potężnych deszczowych chmur może sięgać kilkunastu kilometrów, zaś ich średnica wynosi od kilku do nawet stu kilometrów. Przy sprzyjających warunkach synoptycznych osiągnięcie przez chmurę burzową stadium dojrzałości, rozumianej jako możliwość wytwarzania opadów oraz błyskawic z piorunami, może zająć zaledwie kilkanaście minut.
Proces kondensacji pary wodnej w wyższych partiach troposfery, który ma miejsce w czasie wypiętrzania chmury burzowej, wyzwala z pary wodnej energię utajoną. W czasie przeciętnej burzy, trwającej nie dłużej niż godzina, przemiana pary wodnej w krople wody budujące chmurę wyzwala biliony, a nawet biliardy dżuli energii. Prowadzi to do powstania w chmurze silnego ciągu o prędkości do 40 m/s. Tak silny wiatr unosi wodę i parę na wysokość zamarzania, gdzie tworzą się lodowe ziarna, które w strumieniu wilgotnego i zimnego nadmuchu przybierają na rozmiarze i stają się gradzinami. Mieszanina wody i lodu jest dalej unoszona, krople wody zderzają się, część z nich nadal zamarza, część wypada poza wznoszący strumień powietrza i zaczyna opadać.
Kiedy krople lub gradziny stają się odpowiednio duże, 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 i silnych prądach znoszących porywy wiatru mogą być szczególnie gwałtowne. A w pewnych warunkach wytworzą trąbę powietrzną.
Grzmoty, błyskawice, pioruny
Początek burzy zwiastują grzmoty, które są wynikiem rozprężania gorącego, zjonizowanego powietrza z otoczenia tzw. kanału wyładowania. W istocie to nie pioruny są gorące, ale otaczające je powietrze. Może ono w ułamku sekundy rozgrzać się do 27 000°C.
Piorun powstaje w wyniku silnego naelektryzowania chmury burzowej - gdy tworzące chmurę kropelki przechłodzonej wody oraz kryształki lodu ocierają się o siebie, przekazując sobie ładunki elektryczne. Wówczas w niektórych fragmentach chmury gromadzą się ładunki ujemne (z nadwyżką elektronów), a w innych - dodatnie (z niedoborem elektronów).
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, pomiędzy chmurami lub dwoma odmiennie naładowanymi fragmentami tej samej chmury. Gdy błyskawice występują pomiędzy chmurami - mówimy o wyładowaniach międzychmurowych, a gdy sięgają ziemi - wyładowaniach doziemnych (stanowią one około 20-30% wszystkich wyładowań, w naszym kraju rocznie obserwuje się około dwóch, trzech wyładowań na kilometr kwadratowy).
Pioruny trwają zwykle ułamki sekund. Najpierw z chmury ku ziemi spływa względnie nieduży strumień ładunków ujemnych. Poszukuje on drogi, na której napotka najmniejszy opór, dlatego porusza się skokowo, zygzakami lub rozdziela się na kilka odnóg. Gdy znajdzie najłatwiejszą drogę, dochodzi do znacznie potężniejszego wyładowania głównego, któremu naprzeciw wychodzi wyładowanie powrotne - strumień cząstek płynących od powierzchni Ziemi, będący źródłem błyskawicy (błysku światła wyemitowanego przez gazy rozgrzane do temperatury ok. 30 000°C). Proces ten zachodzi tak szybko (kilka milionowych części sekundy), że ludzkie oko nie jest w stanie prześledzić, kiedy dokładnie pojawia się uderzenie, a kiedy błyskawica.
Grzmot (fala dźwiękowa, która powstaje podczas gwałtownego rozprężenia się powietrza rozgrzanego przez piorun) dociera do naszych uszu z zauważalnym opóźnieniem. W sprzyjających warunkach można go usłyszeć nawet z odległości 25 km. Pamiętamy z lekcji fizyki, że światło rozchodzi się w powietrzu szybciej niż dźwięk. Na podstawie czasu, który upłynął pomiędzy błyskiem a grzmotem, możemy w przybliżeniu określić, jak daleko od nas doszło do wyładowania. Dla przykładu: jeżeli między błyskawicą a grzmotem minęło 5 s, to wyładowanie miało miejsce około 1,7 km od miejsca, w którym się znajdujemy (5 s x 340 m/s = 1700 m = 1,7 km; 340 m/s to prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu).
Burza w liczbach
Na Ziemi najlepsze warunki do powstania burz panują w tropikach. W rejonach okołorównikowych w roku notuje się ponad 200 dni z burzą. W Polsce, tak jak w całej Europie, najwięcej burz występuje w najcieplejszych miesiącach roku, czyli od maja do września, kiedy warunki dla ich powstawania są najkorzystniejsze (odpowiednia ilość wilgoci w troposferze, warunki sprzyjające konwekcji). Zimą w północnej części Europy burze zdarzają się rzadko, gdyż brakuje wówczas energii cieplnej, która napędzałaby wypiętrzenie chmur burzowych.
Rocznie w Polsce mamy około 150-160 dni z burzą - najwięcej w Karpatach (30-35), a najmniej na Pomorzu (15-20). Najsilniejsze burzowe porywy wiatru - 44,5 m/s (160 km/h) zanotowano w nocy z 6 na 7 sierpnia 2012 r. we wsi Sudół koło Jędrzejowa. Największa gradzina (śr. 12 cm) wystąpiła 11 czerwca 2019 r. w Gorzowie Wielkopolskim. Za jedną z najgorszych burz uważa się tę, do której doszło w Tatrach 22 sierpnia 2019 r. - zginęło wtedy pięć osób, a ponad sto zostało rannych, mimo że z punktu widzenia meteorologii nie była to burza silna.
Burze mogą przybierać postać stacjonarną, wówczas intensywne opady deszczu utrzymują się nad określonym obszarem nawet kilka godzin. W ten sam sposób będą objawiały się ciągi burz (ang. training storms) - burze przechodzą nad danym miejscem jedna po drugiej. Jednak nie zawsze duże natężenie opadów skutkuje ich wysoką sumą. Burze zwykle przemieszczają się na tyle szybko, że w danej lokalizacji deszcz, mimo że silny, trwa relatywnie krótko.
Od kilkunastu lat zmienia się struktura opadów. Co ciekawe, pomiary wykazują, że ilość wody pochodzącej z deszczu jest taka sama jak wcześniej. Problem pojawia się w momencie, gdy średni miesięczny opad ma miejsce w ciągu jednego lub dwóch dni. Od czerwca do września 2021 r. kilkukrotnie dochodziło do gwałtownych przekroczeń stanów ostrzegawczych i alarmowych. Przyczyną tych wezbrań były burze błyskawiczne, charakteryzujące się nawalnymi opadami deszczu. Miały one wówczas miejsce m.in. w Poznaniu, Szczecinie, Krakowie, Warszawie, Olsztynie, Rzeszowie i Lublinie.
Jakiej zatem pogody możemy spodziewać się w miesiącach letnich? Ze wskazówkami w tej materii spieszy eksperymentalna prognoza długoterminowa temperatury i opadu na czerwiec - wrzesień 2022 r. opublikowana przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Zgodnie z nią w czerwcu średnia miesięczna temperatura powietrza oraz miesięczna suma opadów atmosferycznych w całej Polsce powinna mieścić się ma w zakresie normy wieloletniej z lat 1991-2020 (można zakładać, że gdy przewidywana jest średnia temperatura/suma opadów powyżej normy, to prognozowany miesiąc będzie cieplejszy/bardziej mokry od co najmniej 20 obserwowanych tych samych miesięcy, gdy jest poniżej normy, to prognozowany miesiąc będzie chłodniejszy/bardziej suchy, a gdy mieści się w normie - prognozowany miesiąc będzie podobny do typowych 10 obserwowanych tych samych miesięcy).
W lipcu ma być nieznacznie cieplej niż wskazuje na to średnia, a wielkość opadów utrzyma się w normie dla tego miesiąca. Sierpień na północy kraju ma być chłodniejszy i z nieznacznie większą liczbą opadów, a na południu zarówno temperatura, jak i wartość opadów ma mieścić się w średniej. Tegoroczny wrzesień ma być nieznacznie cieplejszy od normatywnego wzorca, a suma opadów atmosferycznych w całym kraju najprawdopodobniej będzie mieściła się w zakresie normy wieloletniej.
Warszawa ulubienicą burz
Z badań naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego, którzy przyjrzeli się m.in. częstości występowania burz w latach 2005-2009 w europejskich stolicach, wynika że w miesiącach ciepłych klimat Warszawy sprzyja burzom. Jest ich więcej niż w innych miastach leżących zarówno na zachód, jak i na wschód od niej. Okazało się, że w Warszawie rocznie notuje się średnio 41 burz, zaś np. w Londynie zaledwie 14. Sezon letnich burz w Warszawie zaczyna się małymi kroczkami. Maj jest zwykle jeszcze spokojny. W tym miesiącu nie należy spodziewać się więcej niż pięciu burz. Sytuacja nabiera tempa w czerwcu, kiedy przeciętnie rejestruje się 11 burz podczas siedmiu dni burzowych. Jak łatwo można zauważyć, nad Warszawą w niektóre dni pojawia się więcej niż jedna burza. Burzowe apogeum w naszej stolicy przypada na lipiec. Nad Warszawą pojawia się wówczas średnio 12 burz, a dni burzowych jest średnio aż dziewięć, co oznacza, że przeciętnie w co trzeci lipcowy dzień powinniśmy spodziewać się burzy. W tym miesiącu nie tylko Warszawa, ale także cała środkowa i południowo-wschodnia Polska staje się jednym z głównych centrów burzowych w Europie. Podobnie w sierpniu, jednak jest już wtedy odrobinę spokojniej niż w lipcu. Wrzesień przynosi zazwyczaj zanik burz w stolicy, wówczas notuje się nie więcej niż jedną, dwie burze. Od października do marca burze należą do rzadkości, choć sporadycznie nad Polską potrafi zagrzmieć nawet w styczniu czy w lutym.
Dla porównania Londyn to raj dla tych, którzy boją się burz. Lipiec jest jedynym miesiącem, gdy pojawia się ich najwięcej (4-5). W czerwcu i sierpniu nad Londynem zazwyczaj przechodzi nie więcej niż jedna, dwie burze. Ciekawe jest to, że londyńskich burz, jeśli już się zdarzają, należy spodziewać się około godz. 13.00, natomiast szczyt burzowy w Warszawie przypada między 16.00 a 18.00.
Burzowa dominacja Warszawy wynika z przejściowego klimatu. Ścierają się w nim wpływy kontynentalne i morskie. Nad Londynem występują natomiast głównie burze powodowane siłowaniem się ciepłych mas powietrza z chłodnymi, co związane jest z przechodzeniem frontów atmosferycznych typowym dla klimatu morskiego. W Warszawie istotną rolę odgrywają zarówno przechodzące fronty, jak i nagrzana ziemia. Nasza stolica wyprzedza inne miasta jeszcze pod względem czasu trwania burz. Letnie burze to zazwyczaj krótkie zjawiska, trwające do pół godziny, w mieście Syrenki częściej występują dłuższe burze (najdłuższa burza zarejestrowana w Warszawie w latach 2005-2009 trwała aż 9 godz.).
Burze a zmiany klimatu
Klimat się zmienia, choć następstwa tych zmian nie muszą się przekładać na wzrost częstości występowania burz. Na przykład w zachodniej części basenu Morza Śródziemnego burze zdarzają się coraz rzadziej, podczas gdy w środkowej i we wschodniej - częściej. W ostatnich latach coraz częściej burzowe ośrodki niżowe notuje się w rejonie południowo-wschodniej Europy - zwiększa to możliwość napływu do Polski wilgotnego powietrza znad Morza Czarnego, które może doprowadzić do wystąpienia silnych burz z intensywnymi opadami.
Badania klimatologów z Uniwersytetu Adama Mickiewicza w Poznaniu wskazują, że w ostatnich latach w Polsce nieznacznie wzrosła częstość występowania warunków atmosferycznych sprzyjających burzom. Relatywnie niewielka skala tego wzrostu nie pozwala jeszcze na zdefiniowanie istotnych trendów. Dodatkowo skutki burz intensyfikuje poziom urbanizacji i uszczelnienia powierzchni, przez co krótkotrwałe i intensywne powodzie opadowe (ang. flash floods) o lokalnym charakterze stają się coraz bardziej niebezpieczne. Występujące podczas nich nawalne opady deszczu prowadzą do podtopień i paraliżu obszarów miejskich.
Tylko w 2021 r. poważne zdarzenia typu flash flood wystąpiły w Poznaniu, Krakowie i Głogoczowie, a spowodowały je intensywne, krótkie ulewy przekraczające dotychczasowe normy opadowe oraz nadmierne używanie betonu w przestrzeni publicznej, powiązane z wycięciem drzew i zmniejszeniem zielonych powierzchni biologicznie czynnych. Z pewnością z tego typu zagrożeniem przyjdzie nam się zmierzyć, i to raczej szybciej niż później. Wówczas czas pokaże, czy byliśmy właściwie przygotowani.
bryg. Ariadna Koniuch jest pracownikiem Biura Przeciwdziałania Zagrożeniom KG PSP
Nadchodzi lato, czas Peruna
st. bryg. Ariadna Koniuch jest pracownikiem Biura Przeciwdziałania Zagrożeniom KG PSP
