Burze i wyładowania atmosferyczne w Polsce

Opracowanie:
Natalia Pilguj, IMGW-PIB CMM
Artur Surowiecki, IMGW-PIB CMM
Piotr Szuster, IMGW-PIB CMM
Karina Kózka, IMGW-PIB CMM

Czym jest i jak powstaje burza?

Burza to zjawisko meteorologiczne, które jest związane z obecnością wyładowań elektrycznych (piorunów, błyskawic) i towarzyszących im grzmotów. Występować mogą one jedynie w obrębie chmur Cumulonimbus (Cb), które są chmurami powstającymi w wyniku oddziaływania konwekcji atmosferycznej. Są one również chmurami mającymi przeważnie dużą rozpiętość pionową oraz temperaturę wierzchołków poniżej -15°C. W sezonie letnim w szerokościach umiarkowanych chmura burzowa może wypiętrzać się na wysokość do kilkunastu kilometrów, podczas gdy w miesiącach zimowych jej wierzchołek na ogół nie znajduje się powyżej 6 km.

Wyróżniamy kilka mechanizmów prowadzących do rozwoju chmur burzowych:

  • Front atmosferyczny. Burze rozwijać się mogą w strefach rozgraniczających masy powietrzne o różnych właściwościach fizycznych, przy czym te najintensywniejsze związane są z frontem chłodnym. Jego znaczna prędkość przemieszczania się oraz stromo nachylona powierzchnia, sprzyjają dynamicznemu unoszeniu ciepłego powietrza zalegającego przed frontem, a następnie rozwojowi chmur Cb. Do cech burz powstałych na froncie należy zaliczyć ich często liniowy układ, który jest równoległy do linii frontu atmosferycznego, co może prowadzić do rozwoju linii szkwału. Burze frontowe mogą także występować na frontach ciepłych i okluzji. W sezonie letnim wpływ zbliżającego się chłodnego frontu atmosferycznego na rozwój burz może sięgać kilkuset kilometrów przed nim, gdzie często rozwija się strefa przedfrontowej zbieżności wiatru.
  • Napływ (adwekcja) chłodnej masy powietrza. Burze rozwijać mogą się też w obrębie strefy napływu chłodnych mas powietrza, które napływając na cieplejsze i wilgotniejsze powodują jego unoszenie do góry na drodze konwekcji atmosferycznej. Sprzyja to rozwojowi nieraz bardzo licznych chmur burzowych Cb.
  • Konwekcja termiczna. Gdy w wyniku nagrzewania przyziemnej warstwy powietrza pionowy gradient temperatury osiągnie wartość gradientu adiabatycznego (1°C/100 m), nagrzane powietrze zaczyna unosić się pod wpływem oddziaływania wyporu. Powietrze schładzając się wraz z wysokością, w pewnym momencie osiąga stan nasycenia parą wodną. Następnie rozpoczyna się proces kondensacji pary wodnej, któremu towarzyszy wydzielanie się ciepła utajonego kondensacji i rozwój zachmurzenia kłębiastego. W ten sposób rozwija się konwekcja atmosferyczna, która w pogodne dni z wyżową pogodą często manifestuje się w postaci słabo rozwiniętych chmur Cumulus humilis pojawiających się w okolicach południa słonecznego i utrzymujących się do późnych godzin popołudniowych. Dalszy pionowy rozwój chmur Cumulus w takiej sytuacji jest blokowany przez inwersję osiadania (wzrost temperatury wraz z wysokością) oraz suche powietrze zalegające w wyższych partiach troposfery. W przypadku braku inwersji, wznoszące się powietrze, które zawiera dużą ilość pary wodnej będzie się unosić swobodnie wskutek wyporności. W wyniku tego procesu powstaje silnie rozbudowana w pionie chmura kłębiasta – początkowo Cumulus congestus, a następnie Cb. Wznosząca się konwekcyjnie porcja powietrza ostatecznie dociera do tak zwanego poziomu równowagi, gdzie traci swoją wyporność. Dzieje się tak na ogół w tropopauzie, czyli w strefie przejściowej między troposferą a stratosferą, gdzie występuje inwersja lub izotermia. Z tego powodu górna część rozwiniętej chmury Cumulonimbus jest rozpłaszczona i widziana z daleka przypomina kształtem kowadło.

Zjawiska towarzyszące burzom, takie jak wyładowania atmosferyczne, duże prędkości wiatru, nawalne opady deszczu, opady gradu czy trąby powietrzne mogą stanowić duże zagrożenie dla życia i mienia. W dalszej części opracowania bliżej przyjrzymy się stałemu elementowi każdej burzy, czyli wyładowaniom atmosferycznym.

Jak powstają wyładowania atmosferyczne?

Pionowe ruchy hydrometeorów występujące wewnątrz chmury Cb są przyczyną gromadzenia się ładunku ujemnego w dolnej części chmury oraz dodatniego w jej górnej części. Jedna z wiodących teorii dotyczących elektryfikacji chmur Cb zakłada, że wznoszące i jednocześnie zderzające się w chmurze kryształki lodu ze spadającymi krupami śnieżnymi przekazują ładunek ujemny krupom, które przenoszą go w dolne części chmury. W procesie tym ważną rolę odgrywają również przechłodzone kropelki wody, które pokrywają powierzchnię krup śnieżnych szklistą warstwą lodu, dzięki której możliwe jest dołączenie do krup ładunku ujemnego podczas zderzeń z unoszącymi się kryształkami lodu. Pomiędzy dolną i górną częścią chmury Cumulonimbus wytwarza się ogromna różnica potencjału pola elektrycznego, co prowadzi do przełamania oporu powietrza i inicjuje wyładowania wewnątrzchmurowe, których rolą jest chwilowe neutralizowanie różnicy potencjałów pomiędzy poszczególnymi fragmentami chmury. Duża różnica potencjałów pola elektrycznego występuje również między powierzchnią ziemi a dolną częścią chmury Cb, co z kolei prowadzi do występowania wyładowań doziemnych, które powszechnie określa się mianem piorunów. Wyładowania łączące dolne części chmury burzowej z powierzchnią ziemi posiadają na ogół polaryzację ujemną (ładunek ujemny przepływa od chmury w kierunku ziemi). Pojedyncze wyładowanie doziemne o polaryzacji ujemnej może być złożone z kilkunastu wyładowań składowych (uderzeń).

Najwydatniej proces elektryfikacji chmury Cb zachodzi w zakresie temperatury od –20°C do -5°C, który w ciepłej porze roku (kwiecień-wrzesień) przeważnie występuje w warstwie troposfery znajdującej się na wysokości 3-7 km nad poziomem gruntu. Pojedyncze wyładowania atmosferyczne mogą zatem występować już w chmurach konwekcyjnych o stosunkowo niskich wierzchołkach, których temperatura spada poniżej -15°C. Duża ilość wyładowań atmosferycznych pojawia się dopiero w silniej wypiętrzonych chmurach Cb, których wierzchołki osiągają temperaturę poniżej -40°C.

Czasami, zwłaszcza w końcowej fazie rozwoju chmury Cb, występują także wyładowania doziemne, których zakończenie znajduje się w górnej części chmury (dzieje się tak w sytuacji silnego naładowania górnej części chmury Cb ładunkiem dodatnim, stąd polaryzacja takiego wyładowania jest dodatnia). Takie wyładowania, choć stosunkowo rzadkie, są o wiele silniejsze od wyładowań o polaryzacji ujemnej. Szacunkowo prąd płynący w kanale wyładowania doziemnego dodatniego jest nawet 10-krotnie większy od prądu w przeciętnym wyładowaniu doziemnym ujemnym i może osiągać natężenie 300 kA. Wyładowania doziemne o polaryzacji dodatniej mogą sięgać celów na powierzchni ziemi znajdujących się nawet kilkadziesiąt kilometrów od chmury burzowej (zjawisko gromu z jasnego nieba). Dodatkową cechą wyładowań doziemnych o polaryzacji dodatniej jest to, że prawie zawsze składają się z pojedynczego uderzenia.

W silnie rozwiniętych, wielokomórkowych układach konwekcyjnych obszary o bardzo dużych różnicach ładunku elektrycznego mogą występować podobnych wysokościach w różnych rejonach układu. Dotyczy to w szczególności górnej części układu chmurowego. Różnice potencjałów pola elektrycznego, które występują pomiędzy tymi fragmentami układu konwekcyjnego, inicjują rozległe wyładowania wewnątrzchmurowe określane mianem anvil crawler-ów (“pełzających pod kowadłem”). Osiągają one długość kilkudziesięciu, a czasami ponad 100 kilometrów. Ponadto wyładowania atmosferyczne mogą wystąpić pomiędzy dwoma osobnymi komórkami burzowymi (wyładowania międzychmurowe), jak również kończyć się w powietrzu poza obrębem chmury Cb. Należy podkreślić, że proces elektryfikacji chmur jest bardzo złożony i zależy od wielu czynników. Nie zawsze będzie on przebiegał w każdej chmurze Cb tak samo. Rozkład ładunków elektrycznych w wielu przypadkach będzie się różnił od rozkładu obserwowanego najczęściej, co też będzie wpływać na charakterystyki występujących w obrębie danej chmury burzowej wyładowań.

Grzmotem nazywamy falę dźwiękową, która powstaje w wyniku gwałtownego wzrostu ciśnienia w kanale wyładowania atmosferycznego będącą skutkiem nagłego wzrostu temperatury i rozprężania się powietrza. Podczas wyładowania w jego kanale dochodzi do eksplozji, co powoduje zachodzące w bardzo krótkim czasie wyrzucenie znajdującego się w nim powietrza na zewnątrz[1]. Fala ta w najbliższym otoczeniu kanału wyładowania rozchodzi się z prędkością naddźwiękową, a następnie z prędkością rozchodzenia się dźwięku wynoszącą około 335 m/s. Należy pamiętać, że prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu zależna jest od jego temperatury, stąd w atmosferze proces rozchodzenia się fali dźwiękowej powstałej w wyniku wyładowania atmosferycznego nie będzie równomierny.

Jak często i gdzie występują burze?

W latach 2011-2022 największa aktywność burz rozumiana jako liczba wyładowań atmosferycznych na jednostkę powierzchni była obserwowana na południu, południowym wschodzie, wschodzie i w centrum Polski (Ryc. 1). Obserwacja ta jest zgodna z wynikami poprzednich badań naukowych dotyczących aspektów klimatologicznych występowania burz w Polsce[2] [3]. Warto zaznaczyć, że nie w każdym roku największa liczba wyładowań występuje w obrębie wspomnianych części Polski. Tak było między innymi w latach 2012, 2015 i 2017, w których stosunkowo duża liczba wyładowań atmosferycznych wystąpiła również na zachodzie kraju. W 2019 roku odstępstwem od przeważającego rozkładu liczby wyładowań atmosferycznych była ich stosunkowo duża liczba na północnym zachodzie Polski. Z kolei w latach 2021 i 2022, strefa z największą liczbą wyładowań atmosferycznych na jednostkę powierzchni ciągnęła się w pasie od woj. śląskiego po północne krańce Polski.

Ryc. Rozkład przestrzenny liczby doziemnych wyładowań atmosferycznych w Polsce. Przedstawiono średnie wartości na 1 km2 w obrębie siatki 10 km x 10 km. Oprac. własne na podstawie danych z sieci PERUN (IMGW-PIB).

Duża zmienność przestrzenna w rocznej liczbie wyładowań atmosferycznych w Polsce jest zjawiskiem normalnym. W przypadku liczby wyładowań bardzo dużą rolę odgrywa aktywność elektryczna poszczególnych układów burzowych, która jest uzależniona od warunków i środowiska ich rozwoju. Przykładowo, 2-3 rozległe i silne układy burzowe mające charakter mezoskalowego układu konwekcyjnego wygenerują łącznie znacznie więcej wyładowań, niż kilkanaście słabszych, mniej wypiętrzonych ośrodków burzowych. Duży wpływ na rozmieszczenie stref największej aktywności burzowej w Polsce w danym roku będą mieć też czynniki cyrkulacyjne występujące w analizowanym okresie3. W związku z tym, rozkład przestrzenny wyładowań atmosferycznych w poszczególnych latach może być odmienny. Należy też mieć na uwadze, że wykorzystując dane z sieci detekcji wyładowań atmosferycznych trzeba uwzględnić ograniczenia techniczne poszczególnych systemów, takie jak rozmieszczenie i zagęszczenie stacji detekcji oraz modyfikacje i przebudowy sieci wykonywane w analizowanym okresie.

W badaniach nad zjawiskami burzowymi określa się również liczbę dni z burzą. W pracy Taszarka i in (2015)2, na podstawie danych z sieci PERUN z okresu 2002-2013 wskazano, że roczna liczba dni z burzą na wybrzeżu wynosi 15-20 dni i wzrasta w kierunku południowo-wschodnim osiągając maksimum w Polsce południowo-wschodniej (30-35 dni). Podobne wyniki zawarto również w pracy Bielec-Bąkowskiej (2002)3, gdzie określenie liczby dni z burzą przeprowadzono dla okresu 1949-1998 na podstawie danych z 56 stacji meteorologicznych (depesze SYNOP). Wspomniane opracowania wskazują, że każdego roku w Polsce występuje średnio 24 dni z burzą. W analizie zjawisk burzowych należy poświęcić uwagę nie tylko ich liczebności, ale też intensywności i skutków które mogą powodować.

Niebezpieczne wyładowania atmosferyczne

Sytuacje wyładowań atmosferycznych powodujących szkody i straty są raportowane w bazie European Severe Weather Database (ESWD)[4], która gromadzi informacje na temat występowania niebezpiecznych zjawisk pogodowych. Analizując dane z okresu 2010-2023 można wskazać na znaczne różnice w liczbie raportów w poszczególnych latach (Ryc. 2). Wynika to zarówno ze wspomnianego zróżnicowania czasowego występowania burz, ale też z efektywności raportowania, która z biegiem lat się polepsza. Prawie każdego roku (z wyjątkiem 2010), w Polsce odnotowano co najmniej 100 incydentów związanych z wyładowaniami atmosferycznymi. W latach 2011 i 2012 było to nawet ponad 400 raportów. W rozkładzie rocznym największa liczba raportowanych sytuacji dotyczy miesięcy letnich (od kwietnia do września), a w rozkładzie dobowym okresu od godz.11 UTC do 21 UTC.

Ryc. 2. Liczba raportowanych wyładowań atmosferycznych w Polsce z okresu 2010-2023. Oprac. własne na podstawie danych European Severe Weather Database.

Na podstawie badań przyczyn wypadków spowodowanych występowaniem groźnych zjawisk atmosferycznych w Europie Środkowej w latach 2010-2020 ustalono, że w przypadku wyładowań atmosferycznych do wypadków śmiertelnych dochodziło, gdy ofiary piorunów znajdowały się pod drzewami (37 ofiar) oraz były w trakcie wędrówki lub wspinaczki po górach (35 ofiar)[5]. W ostatnich latach na terenie Polski miały miejsce 2 wypadki z wyładowaniami atmosferycznymi, w których śmierć w każdym z nich poniosło co najmniej kilka osób. Obydwa wypadki miały miejsce w partiach szczytowych gór. Zdarzenia te wskazano i pokrótce omówiono poniżej.

  • 25 lipca 2012 – Durbaszka (Małe Pieniny)

Ofiarami wypadku byli turyści z Warszawy, którzy zostali zaskoczeni przez burzę w okolicach mało wybitnego szczytu głównego pasma Małych Pienin, Durbaszki. Turyści w czasie burzy zeszli ze szlaku, szukając schronienia przed deszczem i burzą pod drzewami w pobliskim lesie. Jak się okazało, ofiary nie zostały porażone wyładowaniem bezpośrednim, lecz bardzo bliskim uderzeniem, na skutek oddziaływania napięcia krokowego. Moment wypadku nie został przez nikogo zauważony, co bardzo utrudniło akcję poszukiwawczo-ratowniczą (zaginięcie członków swojej rodziny zostało zgłoszone kilka godzin po zdarzeniu przez syna dwóch z ofiar zdarzenia). Ciała 4 ofiar znaleziono dopiero 2 dni po zdarzeniu w miejscu niewidocznym dla osób poruszających się pobliskim szlakiem turystycznym. Według lokalnych przewodników górskich był to pierwszy tak poważny wypadek z uderzeniem pioruna w Pieninach[6].

  • 22 sierpnia 2019 – Giewont (Tatry)

W dniu 22 sierpnia 2019 roku przed godziną 13:00 z południowego zachodu nad Tatry nasunęła się burza, która uformowała się w rejonie Bańskiej Bystrzycy na Słowacji. Około godziny 13:15 do centrali Tatrzańskiego Ochotniczego Pogotowia Ratunkowego wpłynęło pierwsze zgłoszenie o wypadku, w którym grupa turystów została porażona przez piorun w rejonie szczytu Giewontu (10 minut wcześniej zgłoszono też przypadek rażenia piorunem w rejonie szczytu Ciemniaka)[7]. Pomimo trudnych warunków meteorologicznych podjęto akcję ratunkową, również przy użyciu śmigłowca TOPR, a następnie śmigłowca Lotniczego Pogotowia Ratunkowego. Szybko okazało się, że zdarzenie ma charakter masowy. Zgłoszenia o osobach poszkodowanych wpływały jeszcze przez kolejne 3 godziny od zdarzenia. Według Tatrzańskiego Parku Narodowego, w czasie burzy w kopułę szczytową Giewontu i w szlak dojściowy mogło uderzyć 7 piorunów. Bilans wypadku to 4 ofiary śmiertelne oraz 157 osoby ranne, z których znaczna część wymagała hospitalizacji. W związku z dużą liczbą osób poszkodowanych zaistniała konieczność zorganizowania szpitala polowego przy schronisku na Hali Kondratowej. Był to jeden z największych wypadków z udziałem wyładowań atmosferycznych jaki kiedykolwiek odnotowano na terenie Polski, a akcja ratunkowa z nim związana uważana jest za największą w historii polskiego ratownictwa górskiego.

  1. O fizyce burzy, akustyce i mechanizmie wyładowań, oraz zdrowotnych konsekwencjach – Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB ↑

  2. Taszarek, M., Czernecki, B., Kozioł, A., 2015: A Cloud-to-Ground Lightning Climatology for Poland. Monthly Weather Review, 143(11), 4285-4304. ↑

  3. Bielec-Bąkowska, Z., 2002: Zróżnicowanie przestrzenne i zmienność wieloletnia występowania burz w Polsce (1949-1998). Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, no. 2059, 2002, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego. ↑

  4. https://eswd.eu/ ↑

  5. Pilorz W. i in. (2023), Fatalities related to sudden meteorological events across Central

    Europe from 2010 to 2020, International Journal of Disaster Risk Reduction, t.88 ↑

  6. https://gazetakrakowska.pl/tragedia-w-pieninach-nie-zyje-czworo-turystow-zdjecia/ar/625567 ↑

  7. https://gazetakrakowska.pl/tragiczna-burza-na-giewoncie-szczyt-byl-bombardowany-przez-pioruny-byli-zabici-i-ranni/ar/c1-17825159 ↑

— UDOSTĘPNIJ —