Zrozumieć burzę

Na nasuwające się pytanie: jak powstają burze? Można by odpowiedzieć krótko i dowcipnie – szybko. Od początków formowania się chmury burzowej do jej rozproszenia upływa średnio ok. 30 minut.

Burze „karmią się” ciepłym powietrzem, dlatego najczęściej pojawiają się latem po kilku gorących i słonecznych dniach i po południu, gdy powietrze nad lądem jest mocno rozgrzane. 

Aby zrozumieć burzę obejrzyj film.

fot. 1  Chmury kłębiaste - Cumulusy 

rys. 2  Etapy rozwoju chmury - komórki burzowej

Niewinne groźnego początki

Początkowym stadium burzy są chmury kłębiaste - Cumulusy. W upalny dzień, w wyniku konwekcji, czyli unoszenia się ciepłego powietrza, powstają wznoszące się kolumny ciepłego powietrza wywołane ogrzewaniem gruntu przez słońce. Tzw. termikę wykorzystują je szybownicy i ptaki drapieżne. 
Gdy powietrze jest wystarczająco wilgotne, to na wysokości ok. 1km (etap 1), gdzie temperatura jest już niższa, para wodna się skrapla, a kropelki wody tworzą chmury cumulus.

Wiesz, że powietrze wilgotne jest lżejsze od suchego? Przeczytasz o tym w artykule o prawie Avogadro.
 

Skierowane pionowo w górę prądy wstępujące zasysają ciepłe wilgotne powietrze i chmura rozbudowuje się w górę (etap 2). 

Na kolejnym, trzecim etapie, chmura nadal się rozbudowuje i rozpoczyna się w niej proces elektryzacji – powstawania i rozdzielania ładunków elektrycznych.  Chmury Cumulus przekształcają się w chmury Cumulus congestus.  
Coraz silniejsze prądy wstępujące o prędkości 10m/s unoszą krople wody gwałtownie do góry gdzie w temperaturze - 10 °C, -20 °C, krople wody zamarzają i zlepiają się ze sobą tworząc tzw. krupy śnieżne. Zobacz je na filmie.  
Na wysokości kilku kilometrów, krupy zderzają się i ocierają się z istniejącymi tam już wcześniej mikrokryształkami lodu. czyli zmrożoną parą wodną. 
Proces elektryzacji w chmurze burzowej polega na tym, że kryształki lodu oddają elektrony granulom krupy, które uzyskują dodatkowy ładunek ujemny. Kryształki lodu otrzymują wówczas ładunek dodatni. 
W podobny sposób elektryzują się Twoje włosy rozczesywane grzebieniem.
Na tym 3 etapie, dojrzewające chmury burzowe mogą osiągać nawet wysokość 10km. W tej wysokiej chmurze prądy wstępujące unoszą lżejsze - dodatnio naładowane mikrokryształki lodu w górę, zaś cięższe ujemnie naładowane krupy opadają w dół, czemu towarzyszy pojawienie się prądów zstępujących. 

Oznacza to, że w górnych warstwach chmury gromadzą się ładunki dodatnie, a w dolnych ujemnie (rys. z lewej u góry). Rozkład ładunków w chmurze powoduje powstawanie wyładowań wewnętrznych (rys. 5). Może dochodzić także do wyładowań pomiędzy sąsiednimi chmurami burzowymi.

fot.. 3  Dojrzała chmura burzowa - Cumulonimbus  

fot. 4 Wyładowania wewnętrzne

Dojrzała komórka burzowa

Później prędkość pionowych prądów wstępujących, nadal rośnie i może dochodzić do 30m/s. powstaje – chmura Cumulonibus (fot. 3), czyli tzw. „dojrzała” komórka burzowa - to etap 4, który trwa tylko ok. 10 minut. 
 

Cechą charakterystyczną dojrzałości chmury burzowej jest to, że oprócz najmocniejszych prądów wstępujących nasilają się także prądy zstępujące i związane z nimi gwałtowne opady deszczu i/lub gradu. Prądy zstępujące mogą osiągnąć prędkość 20 m/s. Prąd zstępujący powstaje na skutek szybko opadających ciężkich krup, które porywają z górnych warstw troposfery bardzo chłodne, ciężkie powietrze. Niżej, w drodze do Ziemi krupa zamienia się w duże krople deszczu lub ulega zlodzeniu i zamienia się w kulki gradu. Powietrze to dodatkowo ochładza się na skutek parowania kropel i coraz szybciej opada. Gdy dociera do ziemi, rozpływa się na boki pod chmurą. Na początku wywołuje to silny podmuch wiatru czyli szkwał.
 

W dojrzałej chmurze następuje kumulacja wewnętrznej aktywności elektrycznej. Nadal występują także wyładowania wewnątrz chmury, a elektryzowanie przez pocieranie zostaje dodatkowo wzmocnione elektryzowaniem poprzez indukcję elektrostatyczną. 
 

Ponieważ każde zetknięcie się i rozdzielenie ciał znajdujących się w tym polu elektryzuje oba ciała przeciwnymi ładunkami, to proces ten zachodzi ponieważ krupy i kryształki lodu we wznoszącym się powietrzu znajdą się w pobliżu już naelektryzowanego obszaru. Zjawisko elektryzowania przez indukcję staje się szczególnie wydajne ponieważ chmura i obszar obok niej jest już wcześniej naelektryzowany. Zjawisko indukcji elektrostatycznej zaczyna odgrywać główną rolę w elektryzowaniu się dojrzałej chmury.  
 

Silne wstępujące i zstępujące prądy powietrza w chmurze wzmagające unoszenie lżejszych, dodatnio naładowane kryształków lodu i opadanie cięższych ujemnie naładowanych krup na dół chmury powodują powstawanie w chmurze różnicy potencjałów rzędu od 10 do 100 milionów woltów. Rosnąca różnica potencjałów pomiędzy ujemnie naładowanymi dolnymi warstwami chmury a Ziemią wywołuje gwałtowne wyładowania elektrostatyczne. Gromowładny Zeus ciska w Ziemię pioruny  - spektakularne błyskawice i grzmoty.

Początkowo błyskawice rozgałęziają się na boki szukając drogi najłatwiejszego przejścia do Ziemi, to to cieńsze (nie dochodzące do ziemi) błyskawice na fotografii u góry z prawej. Najłatwiejsza droga zostaje znaleziona przez tzw. pilotujące wyładowanie elektryczne, przebijające warstwę powietrza do jakiegoś wyższego obiektu pod chmurą burzową.

Prędkość wyładowania pilotującego wynosi 30 000 km/s i choć trwa ono jedynie milionowe części sekundy, to toruje drogę dla wyładowania głównego ponieważ powoduje wstępną jonizację powietrza i utworzenie tzw. kanału plazmowego (obejrzyj film o łuku elektrycznym). Tworzą go dodatnie jony gazów powietrza i uwolnione elektrony umożliwiając wyładowanie główne, czyli przepływ ładunków z chmury do Ziemi. Wyładowanie główne poszerzając kanał plazmowy, przebiega z prędkością rzędu 10 000km/s i niesie z sobą prąd o natężeniu 30 000 – 50 000 A przy różnicy potencjałów rzędu 10 – 100 milionów V (ale zdarza się prąd o natężeniu 150 000A). 
Nieodłącznym towarzyszem błyskawicy jest grzmot. Czyli słyszalny z wielu kilometrów, grom dźwiękowy - efekt akustyczny fali uderzeniowej o wielkiej energii. 

Fala akustyczna (przeczytaj artykuł) to miejscowe i chwilowe zmiany gęstości i ciśnienia powietrza (obejrzyj film). 
Gdy powietrze przecina błyskawica i powstaje kanał plazmowy, to zjonizowane w nim powietrze ulega w ciągu kilkudziesięciu mikrosekund rozgrzaniu do temperatury dochodzącej do 20 – 30 tys. st. C. Tak błyskawiczna i wielka zmiana temperatury powoduje gwałtowne rozprężenie powietrza czyli spadek gęstości i ciśnienia w kanale plazmowym, a następnie równie szybki, wyrównujący ciśnienie, powrót powietrza „na swoje wcześniejsze miejsce”.

Innym proponowanym ostatnio jest przez fizyków wyjaśnieniem zjawiska gromu towarzyszącego błyskawicy jest tzw. skurcz plazmy wywołany przez siły magnetyczne związane z przepływem prądu o ogromnym natężeniu. W obrębie kanału plazmowego zjonizowane powietrze, czyli plazma, ulegałaby najpierw gwałtownej kompresji (ściskaniu), a dopiero później rozszerzeniu i powrotowi do normalnego ciśnienia atmosferycznego. 

Tak czy inaczej, grom to wyjątkowa głośna fala akustyczna. Warto tu dodać, że fizycy atmosfery ciągle jeszcze nie potrafią wyjaśnić wszystkich tajemnic burzy. Poza piorunem grom akustyczny, wywołuje samolot poruszający się z prędkością naddźwiękową oraz wybuch bomby o wielkiej sile, np. atomowej. 
 

Następujące w tym samym momencie” błyskawica i grzmot pozwalają określić odległość w jakiej szaleje burza. Ponieważ obraz błyskawicy dociera do obserwatora burzy z prędkością światła, czyli 300 000 km/s, a odgłos gromu znacznie wolniej bo jedynie 340 m/s to jeśli zmierzy on różnicę czasu w sekundach pomiędzy obydwoma zjawiskami i podzieli ją przez 3, to otrzymany wynik będzie oznaczał odległość burzy  kilometrach. 
Czyli jeśli od błyskawicy do usłyszenia gromu minęło 15 sekund to burza jest ok. 5 kilometrów od obserwatora.

Gdy rozbudowująca się, dzięki prądom wstępującym, w górę chmura osiąga poziom tropopauzy, czyli strefy pomiędzy troposferą, a stratosferą, z powodu różnic temperatur, chmura przestaje się wypiętrzać i zaczyna rozchodzić się poziomo na boki. 
Tropopauza działa jak pokrywka powodując wypłaszczenie górnych warstw, chmura przyjmuje charakterystyczny kształt kowadła. Rozpoczyna się piąty, ostatni etap życia chmury burzowej.  Ponieważ zaczynają dominować zimne prądy zstępujące, które rozchodząc się u podnóża chmury na boki odcinają napływ „karmiącego” chmurę ciepłego powietrza. Kończą tym samym występowanie prądów wstępujących. Wyładowania stają się rzadsze i słabsze, a opady powoli ustają. 

Od początków minęło  około 30 minut, burza się kończy, a chmura ulega rozproszeniu w powietrzu. 

 fot. 5 Wypłaszczone kowadło chmury burzowej

rys. 6  Burze przy zderzeniu się frontów atmosferycznych

Energia piorunów

Oczywiście w czasie burzy mamy często do czynienia z wieloma chmurami burzowymi, które są na różnych etapach rozwoju. Być może rozpoznasz je ta prezentowanych fotografiach.
 

Warto sobie uświadomić, że choć pojedyncze wyładowanie atmosferyczne trwa tylko ułamki sekundy wyzwala ogromną ilość energii. Przyrównano ją do energii jaką ma 500 samochodów osobowych poruszających się z prędkością 100km/godzinę. Ta energia pioruna jest w największej części zamieniana na energię cieplną czyli podgrzania powietrza w kanale plazmowym i energię fali akustycznej gromu. Ulega więc rozproszeniu. Jedynie niewielka część dociera do ziemi, mogąc wywoływać pożary lub zeszkliwienie piasku jeśli to w niego trafi piorun. 

Poza okresem letnim, przy umiarkowanie ciepłej pogodzie, powstanie burzy może wywołać gwałtowne nadejście zimnego frontu atmosferycznego. Zimne masy powietrza wślizgując pod cieplejsze wypierają je ku górze. Jeśli ciepłe powietrze było wystarczająco wilgotne, mogą wypiętrzyć się chmury burzowe i zainicjować procesy o których za chwilę. - rys. 6

Teraz rozumiesz już jak powstaje burza???

Zadanie:

Napisz mi proszę kilka zdań o swoich doświadczeniach z burzami.

A może coś trzeba dodatkowo wyjasnić?

tel.: 505 377 726     e-mail: kontakt@terazrozumiem.pl

NOTA PRAWNA: Zgodnie z art. 25 ust. 1 pkt 1 b) Ustawy o prawach autorskich i prawach pokrewnych (z 4 lutego 1994 r, z późn. zmianami) zastrzegam, że wszystkie materiały zamieszczone na terazrozumiem.pl są objęte prawami autorskimi, a ich dalsze rozpowszechnianie bez mojej zgody jest zabronione