Mniej niż 1% ziemskiej wody unosi się w atmosferze. Ale to dzięki temu ułamkowi ożywcza wilgoć dociera na lądy. I to dzięki tej odrobinie możemy podziwiać chmury.
W przepisie na piękny obłok najistotniejsze są woda oraz rzeźbiące go ruchy powietrza. Potrzebne jest jednak jeszcze coś: pyłek, kryształek lub bakteria – coś, od czego cały proces będzie mógł się rozpocząć. Ale spróbujmy wyjaśnić wszystko po kolei.
Chmury, których kształty pobudzają wyobraźnię ludzi (a przynajmniej wyobraźnię tych z nas, którzy nie zatracili się bez reszty w smartfonach), to zbiorowiska zawieszonych w powietrzu drobniutkich kropelek wody lub kryształków lodu. Kropelki w podobnym stopniu rozpraszają światło o wszystkich długościach fali i dlatego chmury wydają się białe. Nieco inaczej jest w przypadku znacznie mniejszych cząsteczek tlenu czy azotu, głównych składników powietrza. Wpływają one przede wszystkim na fale świetlne odpowiadające kolorowi niebieskiemu – stąd mamy białe chmury na błękitnym niebie. Dopiero wieczorem obłoki stają się czasem złote lub różowe.
A skąd biorą się „czarne” lub „ołowiane” zwiastujące burzę i ulewę? Są po prostu na tyle grube, że słońce nie jest w stanie się przez nie przebić. Tworzące chmurę kropelki (takie same jak w niewinnych obłoczkach) rozpraszają światło na boki lub do góry i zanim dotrze ono do podstawy chmury, którą widzimy z ziemi, niewiele już go zostanie. W ten sposób „odcięte” może zostać ponad 90% światła.
Kształt chmur nie jest przypadkowy, to efekt zachodzących w atmosferze zjawisk. Przede wszystkim ruchów powietrza – bo rzadko stoi ono w miejscu, ciągle podróżuje w poziomie i w pionie. Występują w nim rozmaite zawirowania: od mikroskopijnych, które można obserwować, śledząc w pokoju dym z kadzidełka, do obejmujących olbrzymie obszary niżów atmosferycznych czy huraganów.
Jeśli chmura powstaje w strefie spokojnego przepływu, tworzy jednolite, dość gładkie płaty – jak równomiernie nakładana farba. Gdy przepływ jest zafalowany (powietrze przemieszcza się do góry i do dołu), również w chmurach zobaczymy zagłębienia i zgrubienia, a czasem wręcz regularne prążki. Z kolei chmury powstające w strefie licznych zawirowań są skłębione i przypominają kalafiorki lub pełne wybrzuszeń głowice kolumn.
Życie towarzyskie molekuł
Żeby jednak chmura była widoczna, muszą powstać kropelki – z pary wodnej, czyli gazu zupełnie przezroczystego, składającego się z oddzielnych molekuł wody. Co powoduje, że pojedyncze cząsteczki wody postanawiają się połączyć? W istocie nie jest to kwestia nagłej decyzji, lecz prawdopodobieństwa. Cząsteczki stale łączą się i rozstają, a to, jak długo pozostaną razem, zależy od tego, ile przebywa ich w okolicy. Im więcej pary wodnej w powietrzu, tym częściej molekuły wpadają na siebie.
Warunkiem powstania i utrzymania się kropelki jest to, by skraplanie zachodziło przynajmniej z taką samą intensywnością jak parowanie. Inaczej mówiąc, by w każdej chwili do kropli dołączało się przynajmniej tyle samo cząsteczek wody, ile się od niej oddziela. Parowaniu sprzyja wysoka temperatura powietrza, a skraplaniu – niska. Wyrwanie się z „objęć” pozostałych molekuł wymaga bowiem energii, a tym łatwiej pobrać ją z otoczenia, im jest cieplejsze. Dodatkowo w ciepłym powietrzu cząsteczki gazów poruszają się szybciej, łatwiej mijają i trudniej łączą.
Do uformowania się w atmosferze kropelek nie wystarczy jednak obecność wody i odpowiednia temperatura. Spotkanie i połączenie pojedynczych molekuł jest niezwykle mało prawdopodobne. Skąd więc biorą się chmury? Oprócz cząsteczek powietrza w atmosferze znajdziemy także rozmaite drobinki materii: kryształki soli, pyły mineralne, bakterie itd. Nawet w czystej okolicy będzie ich kilkaset lub kilka tysięcy na centymetr sześcienny, a w mieście – do kilkudziesięciu tysięcy (sic!). Nazywamy je „jądrami kondensacji” i to właśnie do nich przyczepiają się pierwsze, a potem kolejne i kolejne cząsteczki wody.
Kropelki chmurowe są nietrwałe i jeśli dostaną się w obszar niższej wilgotności, łatwo odparowują. To dlatego niektóre chmury mają wyraźnie zaznaczone granice. Często też w miejscach, gdzie zawirowania wciągają do ich wnętrza suche powietrze, pojawiają się zagłębienia lub przewężenia.
Nabrzmiewają grudki gradu
Chmura powstaje najczęściej poprzez ochłodzenie masy powietrza, np. kiedy po ogrzaniu się przy ziemi wznosi się ono lub wślizguje po zboczu wzniesienia. Im wyżej w atmosferze, tym powietrze bardziej się rozpręża i stygnie, a na pewnej wysokości (nazywanej poziomem kondensacji) temperatura jest już odpowiednio niska, by skraplanie zaczęło dominować nad parowaniem – i mamy chmurę.
Okoliczności bywają także inne. Przykładowo wieczorem przyziemna warstwa powietrza może się silnie chłodzić (chmurę, która wtedy powstanie, nazwiemy raczej mgłą). Mogą też zmieszać się ze sobą dwie porcje powietrza – jedna wilgotna, a druga chłodna. Tak powstają chmury nad chłodniami kominowymi oraz smugi kondensacyjne towarzyszące samolotom.
Jeśli powietrze unosi się szczególnie intensywnie i zawiera wyjątkowo dużo wilgoci, powstające w nim chmury są silnie rozbudowane w pionie i z czasem mogą stać się chmurami burzowymi. Skraplająca się po dotarciu do poziomu kondensacji para wodna uwalnia dużo ciepła, które ogrzewa powietrze, czyni je lżejszym i pozwala mu się unosić wyżej i wyżej wraz z niesionymi przez nie kropelkami. Takim zjawiskom sprzyjają upalne letnie dni, zwłaszcza jeśli nocą czy w poprzednich dniach występowały opady. Powietrze silnie ogrzewa się wtedy od podłoża, jednocześnie zabierając z niego dużo parującej wody.
Nawet jednak ten ostatni fenomen nie spowoduje, że powietrze będzie unosić się w nieskończoność. Na pewnej wysokości zrobi się ono na tyle chłodne (i gęste), by znów zacząć opadać. W atmosferze często mamy do czynienia z sytuacją, gdy sąsiadują ze sobą wznoszące i opadające prądy powietrza. Tak jest w chmurach burzowych. Dzięki temu kropelki i kryształki mogą wielokrotnie przelatywać poprzez chmury z góry na dół i z dołu do góry, po drodze wiele razy łącząc się, obrastając kolejnymi warstwami, ale też rozpadając pod wpływem przeciążeń. W ten sposób powstają wielkie krople deszczu (o średnicach rzędu milimetrów), a także bryłki gradu (rekord wynosi ponad 20 cm średnicy!). Sprzyja to również rozdzielaniu się ładunków elektrycznych, przez co w górnej części chmury dominuje ładunek dodatni, a w centrum ujemny, i możliwe są wyładowania elektryczne między chmurami lub między nimi a powierzchnią ziemi.
Oczywiście deszcz powstaje także w chmurach nieburzowych. Jednak nie jest to łatwe – aby móc opaść na ziemię, kropelka musi zwiększyć swoją objętość milion razy! Mniejsze kropelki opierają się grawitacji dzięki prądom wznoszącym i oporowi powietrza lub po wypadnięciu z chmury po prostu odparowują (taki nieudany deszcz bywa widoczny jako ciemne smugi wychodzące z podstawy chmury).
Szczególnie ciekawy mechanizm formowania opadu występuje, gdy w chmurze oprócz kropelek wody są też kryształki lodu. Molekułom H2O łatwiej dołączyć do uporządkowanej struktury lodu, niż wcisnąć się pomiędzy stłoczone cząsteczki płynu. Kryształki zagarniają więc większość pary wodnej z otoczenia. Rozrośnięte kawałki lodu zaczynają w końcu opadać, ale po drodze do ziemi topnieją i docierają do niej już jako krople wody.
Niżowe karuzele
Wilgoć w atmosferze nie tylko formuje pojedyncze chmury czy burze, lecz także tworzy lub podtrzymuje znacznie rozleglejsze zjawiska, takie jak niże atmosferyczne, czyli obszary obniżonego ciśnienia atmosferycznego (a nie – jak uważa wielu Polaków – obszary obniżonego nastroju). Upraszczając, jeśli gdzieś ciśnienie jest niskie, to znaczy, że jest tam mniej powietrza lub że jest ono szczególnie lekkie. Dzieje się tak na przykład wtedy, gdy powietrze nagrzewa się od ciepłego oceanu i w dodatku pobiera od niego parę wodną. Cząsteczka wody (ważąca 18 u, czyli 18 jednostek masy atomowej) jest lżejsza niż cząsteczka tlenu (32 u) lub azotu (28 u). Gdy więc zastąpi którąś z nich w porcji powietrza, ta zrobi się lżejsza. Ciepłe, lekkie powietrze łatwo się unosi, pozostawiając przy powierzchni ziemi miejsce o obniżonym ciśnieniu, gotowe, by napływało do niego powietrze z otoczenia.
Chociaż powietrze „chciałoby” płynąć wprost do centrum niżu, w rzeczywistości porusza się po spirali. Wynika to z faktu, że nasza planeta stale się obraca. Gdybyśmy na przykład wystrzelili rakietę dalekiego zasięgu, kierując ją wzdłuż południka w stronę bieguna północnego, to w trakcie jej lotu Ziemia przekręciłaby się i z naszego punktu widzenia rakietę zniosłoby na prawo od wybranego przez nas celu (oczywiście inżynierowie planujący trajektorie rakiet umieją uwzględnić to w obliczeniach). Dzięki temu niże atmosferyczne to olbrzymie wiry, które na naszej półkuli „kręcą się” w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara.
W strefie międzyzwrotnikowej, gdzie temperatury oceanu są bardzo wysokie, niże atmosferyczne mogą przyjmować szczególnie niebezpieczną postać cyklonów tropikalnych, na Atlantyku zwanych huraganami. Nabierają siły, wędrując nad oceanem, a po wtargnięciu nad ląd stopniowo słabną, odcięte od źródła ciepła i wilgoci. Słynna Katrina zaczęła tworzyć się nad Atlantykiem 23 sierpnia 2005 r., nazajutrz zyskując status sztormu tropikalnego (prędkość wiatru minimum 63 km/h), a następnie huraganu (119 m/s). Przejście nad zachodnim krańcem Florydy trochę ją osłabiło, ale z kolei „spacer” nad Zatoką Meksykańską pozwolił jej osiągnąć najwyższą, piątą kategorię (z prędkością wiatru powyżej 252 km/h). Ponownie wdarła się nad ląd i gdy wędrowała na północny wschód, stopniowo jej animusz gasł. Wreszcie, po dotarciu do stanu Missisipi, straciła status huraganu.
W umiarkowanych szerokościach geograficznych (tzn. tu, gdzie mieszkamy) niże powstają raczej wskutek ścierania się mas powietrza o różnych właściwościach. Gdy spotkają się ze sobą ciepłe powietrze z tropików i chłodne z Arktyki, trudno im zachować dystans. Powietrze chłodne zwykle próbuje wciskać się pod ciepłe (tak powstaje front chłodny), a w tym samym czasie gdzie indziej ciepłe wślizguje się na chłodne (to z kolei front ciepły). Tak zaczyna się swoisty berek wokół centrum niżu. Z frontami wiążą się strefy zachmurzenia i opadów, które na zdjęciach satelitarnych widoczne są jako łatwa do zidentyfikowania spirala. Obecność pary wodnej dodatkowo ułatwia wznoszenie się ciepłego powietrza i podtrzymuje aktywności niżu.
Ze względu na opady i kierunki przepływu wciąganego do niżu powietrza szczególnie dużo wilgoci gromadzi się tuż przed czołem frontu chłodnego. Można to zaobserwować dzięki obrazom satelitarnym pokazującym zawartość pary wodnej w powietrzu. W przypadku niektórych niżów tworzących się w rejonie podzwrotnikowym i wędrujących na północny zachód pasmo podwyższonej wilgotności jest na tyle wyraźne, że meteorolodzy nazywają je „atmosferyczną rzeką”. To ważny sygnał ostrzegawczy: układ, w którym się pojawi, przynosi niezwykle intensywne ulewy. Na zachodnich wybrzeżach Europy 8 na 10 przypadków najsilniejszych opadów związanych jest właśnie z takimi zjawiskami, w Wielkiej Brytanii powodują one 40–80% zimowych powodzi i podtopień.
Zaburzona równowaga
Tworzenie chmur, opadów czy niżów atmosferycznych to nie jedyny sposób, w jaki woda wpływa na klimat naszej planety. Pierwsze skrzypce gra ona również w efekcie cieplarnianym. A gdyby nie naturalny efekt cieplarniany, średnia temperatura naszej planety byłaby o ponad 30° niższa.
Utrzymanie stałej temperatury powierzchni Ziemi wymaga, by nieustannie oddawała ona w kosmos tyle samo energii, ile otrzymuje od Słońca. Atmosfera przepuszcza większość promieniowania słonecznego i pozwala mu dotrzeć do powierzchni naszego globu. Niektóre typy podłoża – np. świeży śnieg – dobrze odbijają światło, większość jednak pochłania przynajmniej jego część. Jak Ziemia pozbywa się energii? Również poprzez promieniowanie, ale nie widzialne, tylko podczerwone. Ono nie jest już tak łatwo przepuszczane przez atmosferę.
Gazami cieplarnianymi są, oprócz pary wodnej, m.in. dwutlenek węgla i metan. Emitując je do atmosfery, nasilamy efekt cieplarniany. Co więcej, coraz gorętszy klimat powoduje intensywniejsze parowanie wody, a to wywołuje kolejne zmiany klimatu. W sumie więc to samo zjawisko, dzięki któremu na Ziemi kwitnie życie, może spowodować – przez naszą nieopatrzną ingerencję – że planeta stanie się trudna do zamieszkania.
Czytaj również:
