Burza w zimie fakty i mity

Opracowanie: dr Grzegorze Duniec, prof. dr hab. inż. Mariusz J. Figurski

Burza w zimie nie jest niczym zaskakującym, a tym bardziej zjawiska tego nie można zakwalifikować jako anomalię. Procesy fizyczne w wyniku których powstaje burza są takie same dla burz letnich jak i zimowych. Pora roku nie wpływa na fizykę procesu. Sezon wpływa jedynie na częstotliwość występowania burz w danej porze roku i na czas jej trwania.

Z fizycznego punktu widzenia, aby mogła powstać burza musi być spełnione kilka warunków takich jak [1]:  

a) masa powietrza powinna posiadać 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, powinno występować przegrzanie. 

Wszystkie powyższe warunki były spełnione.

Źródło: https://www1.wetter3.de/Archiv/archiv_dwd.html

Pogodę w Polsce kształtował układ niskiego ciśnienia z ośrodkiem 980 hPa przemieszczającym się nad Bałtykiem. W ciągu dnia, z zachodu na wschód, przemieszczał się front okluzji o charakterze frontu chłodnego.

Źródło: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.

Na mapie topografii barycznej bezwzględnej TB700 zaznaczony był nad Polską dodatni kąt adwekcji co wskazywało na adwekcję chłodu.

Źródło: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej.

Symulacje numeryczne pola izohips względnych wskazywały, że już w godzinach wieczornych północno zachodnie rejony kraju dostaną się w zasięg zatoki chłodu. Napływało powietrze polarno-morskie.

Napływające masy powietrza były w równowadze chwiejnej. W ciągu dnia rozbudowywały się chmury Cumulonimbus. Zimowe Cumulonimbusy nie są tak spektakularne jak te z okresu letniego. Wierzchołki zimowych chmur Cb nie osiągają dużych wysokości. Wilgotność w warstwie przyziemnej była na poziomie 60-80 % jednak z wraz z wysokością bardzo szybko wzrastała. Pionowy gradient temperatury w warstwie o grubości1 km wynosił 7,4-9,4 K/km. W ciągu dnia występowały opady przelotnego śniegu oraz krupy śnieżnej, której intensywność miejscami była dość duża.

Aby wystąpiło wyładowanie iskrowe, czyli błyskawica, wymagane jest wygenerowanie w chmurze Cumulonimbus natężenia pola elektrycznego przebicia. Przy powierzchni Ziemi, przy ciśnieniu normalnym wartość natężenie przebicia wynosi 3 MV/m. Ponieważ wartość natężenia pola elektrycznego przebicia inicjującego wyładowanie elektryczne w gazie zależy wprost proporcjonalnie od ciśnienia (wynika to z empirycznego prawa Paschena), i maleje wraz ze wzrostem wysokości, zatem wymagana wartość natężenia pola elektrycznego przebicia w chmurze Cumulonimbus waha się w granicach 100-400 kV/m [2].

Mechanizmów odpowiedzialnych za elektryzację chmur jest wiele.

Źródło: Pruppacher, Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer, 1996.

Z punktu widzenie elektryzacji chmur Cb najistotniejszym mechanizmem są zderzenia cząstek chmury, podczas których następuje transfer ładunków elektrycznych między cząstkami biorącymi udział w zderzeniu. Możliwe są zderzenia typu kropla-kropla; kropla-cząstka lodowa oraz cząstka lodowa-cząstka lodowa [6]. Zderzenia kropel są mniej skuteczne w procesie elektryzacji a to dlatego, że dwie krople mogą się zlewać w jedną większą kroplę (mechanizm separacji nie zajdzie) lub mogą się odbić. Z punktu widzenia prawdopodobieństwa zlanie się kropel w jedną większą jest bardziej prawdopodobne [6]. W obecności zewnętrznego pola elektrycznego prawdopodobieństwo połączenia kropel w jedną większą jeszcze bardziej wzrasta. Przy zderzeniu krople z cząstkami lodowymi również bardziej prawdopodobne jest to, że kropla zamarznie niż to, że odbije się [6]. Transfer ładunku, które jest inicjowany w chwili kontaktu spowodowany jest różnymi potencjałami elektrycznymi. Kiedy zderzają się dwie cząstki chmurowe ze sobą układ dąży do wyrównania potencjału elektrycznego, a jest to możliwe tylko w wyniku transferu ładunku. Wielkość przetransferowanego ładunku będzie zależała od czasu trwania kontaktu, który jest na ogół krótszy od czasy wymaganego wyrównaniu potencjałów. Wielkość ładunku transportowanego pomiędzy cząstkami biorącymi udział w zderzeniu oraz jego znak, zależy od temperatury otoczenia, wodności chmury, a także od prędkości zderzenia. W temperaturze -10°C następuje zmiana znaku ładunku na przeciwny, co potwierdzają dane eksperymentalne [3].

Wzrost	rodzaj oddziałujących cząstek	wielkość ładunku 1fC = 10-15C	temperatura otoczenia
Suchy	krupa/cząstka lodowa chmury	2 fC	T > – 10°C
		– 2 fC	T < – 10°C
	krupa/śnieg	200 fC	T > – 10°C
		-200 fC	T < – 10°C
	krupa/deszcz	-100 fC	dla wszystkich
Mokry	krupa/krople chmurowe	-100 fC	dla wszystkich
	krupa/krople deszczu	0	dla wszystkich
Inny	krople deszczu/krople chmurowe	0	dla wszystkich

Źródło: MacGorman, Rust, The Electrical Nature of Storm, Oxford University Press, 1998.

Zderzające się cząstki nie są jednakowych rozmiarów. Cząstki cięższe po kontakcie będą opadać do dołu, natomiast lżejsze mogą się wznosić do góry wraz z prądami powietrza. Takie zachowanie cząstek po zderzeniu zapewnia separacje ładunku elektrycznego. W chmurze Cumulonimbus w strefie izotermy około -20 st. C tworzy się centrum ładunku ujemnego. Powyżej zalega, bardziej rozproszona strefa ładunku dodatniego. Poniżej ujemnego centrum ładunku tworzy trzecia, zlokalizowana w pobliżu podstawy chmury, w obszarze o temperaturze od 0 st. C do -10 st. C, strefa ładunku dodatniego [2].

Źródło: Vladimir A. Rakov, Martin A. Uman, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003.

W typowym modelu letniej chmury Cumulonimbus centrum ładunku ujemnego znajduje się na wysokości około 7 km. Rozproszone centrum ładunku dodatniego zalega wyżej na wysokości około 12 km. Trzecie słabsze centrum ładunku dodatniego, zalega w pobliżu podstawy chmury około 2 km [5]. W strefie górnego rozproszonego centrum ładunku dodatniego, zalegają kryształy chmurowe, które są naładowane dodatnio. Niżej, w obszarze ujemnego centrum ładunku, zalegają 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, szczególnie wówczas, kiedy chmura Cb jest wypiętrzona do wysokości 7-8km. W dwóch głównych zasadniczych centrach ładunkowych gromadzi się ładunek rzędu 40 C. W trzecim centrum ładunku dodatniego gromadzi się słabszy ładunek rzędu 3 C [5].

Źródło: Vladimir A. Rakov, Martin A. Uman, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003.

Jak wskazują badania, aby w chmurze Cumulonimbus mogło być zainicjowane wyładowanie iskrowe chmura musi być rozbudowana na co najmniej 3-4 km [6]. 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 zawierają także cząstki stałe takie jak kryształki lodu, krupy śnieżne, płatki śniegowe czy gradu. Aktywność elektryczna chmury także wzrasta z aktywnością konwekcyjną. Wyładowanie jest inicjowane w obszarze, gdzie występuje duże natężenie opadu [6].

Struktura elektryczna chmur Cb bywa bardziej skomplikowana, przede wszystkich w mezoskalowych układach konwekcyjnych. W takich układach struktura elektryczna chmury jest bardziej złożona i zbudowana jest z większej ilości centrów ładunkowych [5].

Źródło: Vladimir A. Rakov, Martin A. Uman, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003.

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 wzrostu pola elektrycznego zwiększa się [2]. Kiedy pole elektryczne osiągnie odpowiednią wartość wówczas inicjowane jest wyładowanie iskrowe w chmurze, czyli błyskawica. Kiedy przepływ ładunku elektrycznego zachodzi pomiędzy centrami ładunków elektrycznych, ale dwóch różnych chmur Cumulonimbus wówczas następuje tzw. wyładowanie między chmurowe (chmura-chmura) [Bodzak]. Ponieważ wewnątrz chmury Cumulonimbus znajdują się ładunki elektryczne, które są źródłem pola elektrycznego, wokół chmury gromadzą się ładunki elektrycznego, ale o przeciwnym znaku. W sprzyjających warunkach może nastąpić przepływ ładunku elektrycznego pomiędzy centrum ładunku elektrycznego w chmurze Cb, a ładunkiem elektrycznych zgromadzonym na zewnątrz wówczas takie wyładowanie nazywamy wyładowaniem chmura-powietrze. Innym rodzajem wyładowań, również dość powszechnym, są wyładowania doziemne. Wyładowania doziemne, mogą być dodatnie lub ujemne, w zależności od obszaru inicjacji (inicjacja z obszaru dodatniego lub ujemnego centrum ładunku chmury). Wyładowania doziemne mogą być inicjowane z chmury lub z powierzchni ziemi [4]. 

Jak już wcześniej wspomniano z fizyki chmur wiadomo, że aby nastąpiło wyładowanie chmura musi mieć co najmniej 3-4 km wysokości [6]. Również wiadomo, że wysokie chmury Cumulonimbus są źródłem częstych wyładowań [6]. Zimowe chmury Cumulonimbus nie są aż tak bardzo wypiętrzone jak w okresie letnim. Grubość chmur Cb w okresie zimy 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 zimy burze występują sporadycznie. A jeżeli już wystąpią to na ogół obserwujemy jedno lub kilka wyładowań, co jest spowodowane niewielką grubością chmury.

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 okazja występowania burz w okresie zimowym zastanawia się co one zwiastują w przyszłości. W tym miejscu musimy odejść od opisu fizyczno-matematycznego zjawisk meteorologicznych i odwołać się do porzekadeł oraz przysłów ludowych, które należy traktować 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 jest związane 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 „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, dobrze znane były w przeszłości. A 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 ich jakościowego, a nie ilościowego charakteru. Jednak bez względu na ich jakość z pewnością stanowią ważną część naszego folkloru.

Literatura:

1. Piotr Szewczak, Meteorologia dla pilota samolotowego, Avia-Test, Poznań 2014.
2. Pruppacher, Klett, Microphysics of Clouds and Precipitation, Springer, 1996.
3. MacGorman, Rust, The Electrical Nature of Storm, Oxford University Press, 1998.
4. Paweł Bodzak, Detekcja i lokalizacja wyładowań atmosferycznych, IMGW, 2007.
5. Vladimir A. Rakov, Martin A. Uman, Lightning Physics and Effects, Cambridge University Press, 2003.
6. Vernon Cooray, The Lightning Flash, The Institute of Engineering and Technology, 2^nd edition, 2014.

 

— UDOSTĘPNIJ —