Obrazowo mówiąc, mikrofizyka chmur jest fizyką chmury widzianej przez mikroskop, makrofizyka – fizyką chmury oglądanej „nieuzbrojonym okiem” z powierzchni Ziemi lub pokładu samolotu, zaś fizyka układów chmurowych – fizyką chmur widzianych ze sztucznego satelity Ziemi lub na ekranie radaru.
Jak się nazywa chmura przy powieszhni ziemi Myślę że to po prostu mgła Chmura przy powierzchni ziemi -MGŁA W XX w. dotarliśmy na Księżyc. Umieszczamy w kosmosie stacje orbitalne, na których są prowadzone badania naukowe. Wysyłamy bezzałogowe sondy kosmiczne, za pomocą których zbieramy informacje na temat najbliższych Ziemi planet. Wiemy, że warunki na innych planetach Układu Słonecznego uniemożliwiają rozwój organizmów.Chmury to zjawiska meteorologiczne, które uczestniczą na trzy sposoby w globalnym ociepleniu. Pierwsze badania naukowe nie dawały pewnych informacji, że klimat bardziej ociepla się z powodu dodatkowego sprzężenia zwrotnego – chmur. Jednak następne badania wskazują, że klimat staje się cieplejszy nie tylko dzięki rosnącym w astronomicznym tempie emisjom gazów cieplarnianych, zwłaszcza dwutlenku węgla, ale i coraz intensywniejszym pokrywom chmurowym. Rysunek 1. Kompozycja zdjęć z amerykańskich (GOES) i europejskich (METEOSAT) satelitów geostacjonarnych (źródło). Copyright: EUMETSAT 2016. Chmury niskie Gdyby na Ziemi istniały tylko chmury w najniższych warstwach atmosfery, to by sama planeta mocno ochładzała się. Być może energia cieplna w podczerwieni blokowana przez gazy cieplarniane antropogenicznego pochodzenia nie wzrastałyby w tak szybkim tempie jak to się dzieje dziś przy obecności dodatkowych chmur wysokich. W chmurach niskich, dokładnie w kłębiastych cumulusach i w warstwowych stratusach gromadzą się gęsto rozmieszczone kropelki wody. W dziennej porze chmury te mają znacznie silniejsze własności odbijania promieni słonecznych niż ich pochłaniania. Natomiast w nocy efekt cieplarniany jest silniejszy. Ale wówczas to promieniowanie w podczerwieni emitowane z Ziemi jest skutecznie blokowane przez gazy cieplarniane. W sumie można oszacować, że chmury niskie w dzień odbijają ok. 80-90 %, a pochłaniają 10-20 % promieni słonecznych. A w nocy przepuszczają w kosmos 20-30 % promieni w podczerwieni, a pochłaniają 70-80 %. Efekt sumaryczny dla chmur niskich jest taki, że ogólnie jest silniejsze odbijanie promieni słonecznych w dzień od pochłaniania nocnego. A więc, względem tego typu pokryw chmurowych, procesy zachodzą na korzyść ochładzania klimatu. W nieodległej przeszłości, jakieś 30-40 lat temu, z pewnością w atmosferze tworzyło się więcej chmur niskich niż wysokich. Dokładnie nie wiadomo, czy przyczyną mogło być większe wówczas zapylenie atmosfery. Emitowane na ogromną skalę związki siarki mają własności silnie odbijające promienie słoneczne, tak więc dość skutecznie chłodziły świat, zwłaszcza uprzemysłowiony w tamtych latach. Było to tzw. globalne zapylenie atmosfery. Jednak problem globalnego ocieplenia był już wówczas poruszony, ale nie było jeszcze eksperymentalnych dowodów, choć efekt cieplarniany i czułość klimatu na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla (od początku rewolucji przemysłowej) były już dokładnie zbadane ponad 100 lat temu. Wszelkie luki naukowe, czyli niższą ilość dowodów niż dziś na rzecz antropogenicznego globalnego ocieplenia, jeszcze 15-20 lat temu, wykorzystali min. naukowcy negujący zmiany klimatu wywołane przez człowieka, tacy jak Roy Spencer i Richard Lindzen. Pierwszy był pracownikiem NASA. Zakwestionował on publicznie zgodność naukowców badających klimat co do antropogenicznego globalnego ocieplenia. Natomiast drugi jest fizykiem atmosfery i profesorem meteorologii w MIT (Massachusetts of Technology). Wcześniej napisał 7 rozdział do III raportu IPCC. Zaproponowali oni tzw. hipotezę tęczówki, według której ocieplanie klimatu miałoby mieć wpływ na to, że spadek pokrycia nieba chmurami wysokimi na rzecz niskich wpłynąłby jednocześnie na spadek ilości gazów cieplarnianych, emitowanych do atmosfery przez człowieka. Ta hipoteza została jednak obalona już ponad 10 lat temu. Dwie niezależne grupy naukowców prowadzonych przez Axela Lauera i in. 2010 oraz przez Amy’ego C. Clementa i in. 2009 podjęły analizę zmian zachmurzenia w rejonie równikowym i podzwrotnikowym, przy okazji wykorzystując obserwacje meteorologiczne z pokładów statków, pomiary satelitarne oraz modele klimatu. Wyciągnięte wnioski z obu prac były bardzo podobne: sprzężenie zwrotne mające związek z pokrywami chmur jest w tych obszarach dodatnie, co oznacza dodatkowy wzrost temperatur. Dodatkowo praca Andrew E. Desslera i in. z 2010 r. wykazała, że badania satelitarne pokazały, że sprzężenie ujemne w związku z chmurami występuje, ale bardzo nieznacznie. Efekt jest wyraźnie dodatni. Definitywnie to przekreśliło twierdzenie negacjonistów klimatycznych, że znaczne zachmurzenie może wpłynąć na zahamowanie ocieplania się planety. Rysunek 2. Rola chmur w klimacie (w uproszczeniu) - chmury wysokie (lewa część rysunku) przepuszczają większość padającego na nie promieniowania słonecznego (żółte strzałki), ale zatrzymują wypromieniowywane przez Ziemię promieniowanie podczerwone (czerwone strzałki), powodując wzrost średnich temperatur, - chmury niskie (prawa część rysunku) silnie rozpraszają promieniowanie słoneczne, powodując spadek średnich temperatur powierzchni Ziemi. (źródło) Chmury wysokie Gdyby na Ziemi istniały tylko chmury w najwyższych warstwach atmosfery, to by nasza planeta jeszcze silniej nagrzewałaby się. A energia cieplna w podczerwieni blokowana przez gazy cieplarniane emitowane przez działalność ludzką wzrastałyby w zawrotnie szybkim tempie. Na szczęście istnieją schładzające niskie chmury, które zwalniają ten przyrost globalnej temperatury i koncentracji dwutlenku węgla w atmosferze i w oceanach. W wysokich chmurach, dokładnie pierzastych cirrusach, są rzadko rozmieszczone kryształki lodowe. Zarówno w dzień, jak i w nocy mają one tendencje do większego pochłaniania niż przepuszczania w kosmos promieniowania w podczerwieni wyemitowanego z Ziemi. Warto też zauważyć, że w przeciwieństwie do chmur niskich są niemal przezroczyste dla promieni słonecznych. W sumie można stwierdzić, że efekt sumaryczny dla chmur wysokich jest więc taki, że ogólnie jest silniejsze pochłanianie promieni cieplnych niż ich przepuszczanie w przestrzeń kosmiczną. Jest to właśnie zauważalne przy pomiarach dwóch warstw atmosfery ziemskiej: troposfery i stratosfery. Ta pierwsza jest coraz cieplejsza, a ta druga coraz chłodniejsza. Co dokładnie mierzą i monitorują satelity na orbitach okołoziemskich. Ogólnie rzecz ujmując, w chmurach wysokich procesy zachodzą na korzyść ocieplania klimatu. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii pod przewodnictwem profesora Stevena Sherwooda i in., 2014 zbadali korelacje pomiędzy tworzeniem się chmur a procesami mieszania się powietrza pochodzącego z różnych warstw (pięter chmur) atmosfery. Kiedy intensywnie zaczyna woda parować z powierzchni Ziemi, jej późniejszy los jest w dużym stopniu zależny od obecności i siły prądów powietrznych, które mogą wynieść ją nawet na wysokość kilkunastu kilometrów. Jest to tak zwana głęboka konwekcja, dzięki której powstają mocno rozbudowane w pionie kłębiaste chmury, z których wydzielają się intensywne opady. W wyniku czego znaczna większość wody wraca z powrotem na powierzchnię Ziemi oraz do przylegającej do niej tak zwanej „warstwy granicznej atmosfery”. W dobie globalnego ocieplenia tworzenie się tego typu chmur, zwłaszcza w obszarach intensywnej wilgotności powietrza, jest coraz częstsze. Jednak, gdy prądy powietrzne nie są zbyt silne, wówczas sięgają tylko do wysokości kilku kilometrów, a powietrze, które jest przez nie niesione rozpływa się mieszając z ośrodkiem atmosferycznym. Ale jeśli nawet tworzą się chmury na tych wysokościach, to i tak dają bardzo słabe opady deszczu. Występuje także efekt taki, że część pary wodnej zostaje w tzw. warstwie granicznej atmosfery, a część pary wodnej unosi się wyżej. Mieszanie zapobiega powstawaniu chmur pionowych głębokokonwekcyjnych, co też sprzyja warunkom takim, w których na wysokości do 2 km jest coraz mniej chmur niskich, a jest coraz więcej na wysokości 2-8 km chmur średnich i wysokich. Ma to wpływ taki, że para wodna jest unoszona do coraz wyższych wysokości, gdzie jest coraz silniejszy efekt ogrzewający planetę. Tzn. średnie, a zwłaszcza wysokie chmury mają tendencje do silniejszego gromadzenia energii cieplnej. Natomiast w najniższych warstwach troposfery, czyli w warstwie granicznej atmosfery zachodzą procesy wysuszające ją coraz silniej. Inaczej mówiąc jest tam coraz mniej chmur, które mogłyby dawać silniejszy efekt schładzający Ziemię. Rysunek 3. Wykształcenie się głębokiej (8-16 km, zależnie od szerokości geograficznej) konwekcji oznacza, że para wodna zabierana z warstwy granicznej atmosfery (poniżej ok. 2 km) i zużywana do tworzenia chmury powraca na powierzchnię Ziemi w postaci opadów. Mieszanie może zapobiegać powstawaniu rozbudowanych w pionie chmur a w rezultacie – opadów. W efekcie w „wysuszonej” warstwie granicznej chmur ubywa a przybywa chmur na piętrach średnich i wysokich (2-8 km). (źródło) Podsumowując opisane procesy można stwierdzić krótko. Planeta Ziemia nagrzewa się coraz bardziej. Aby para wodna mogła się skondensować, tak by mogły powstać chmury w niskich warstwach atmosfery ziemskiej, potrzebuje już wyższych wysokości niż 0-2 km. A na wyższych wysokościach gdy tworzą się w końcu chmury w procesie kondensacji pary wodnej, to dają one silny efekt cieplarniany. W pracy badawczej Stevena C. Sherwooda i in. 2014, modele klimatu, które odwzorowują procesy atmosferyczne, czyli tzw. płytkie mieszanie (prawdopodobnie na pograniczu warstwy granicznej atmosfery i nad nią leżącej wyższej warstwy troposfery) odznaczają się wyższą czułością klimatyczną. A wyższa czułość klimatyczna to nic innego jak zwiększony wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi w odpowiedzi na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla w powietrzu atmosferycznym. Według V raportu IPCC czułość klimatu mieści się w przedziale 1,5-4,5 stopni Celsjusza. Sherwood jednak uważa, że jeśli mieszanie powietrza będzie coraz silniej wpływać na zaburzenia rozkładu chmur na poszczególnych piętrach atmosfery, to efekt cieplarniany będzie jeszcze bardziej się nasilał potęgując globalne ocieplenie. Tak więc, ten przedział temperatur zaproponowany przez IPCC w 2014 r. raczej trzeba przesunąć zdecydowanie w prawą stronę. Według Sherwooda i jego zespołu badawczego, optymalnie czułość klimatyczna wyniesie powyżej 3°C. Chmury sięgają coraz wyżej i przesuwają się w stronę biegunów Dotychczas badania chmur i ich zmienność na poszczególnych piętrach atmosfery opierały się raczej tylko na modelowaniu numerycznym. Symulacje chmur w skali planetarnej są bardzo trudne, gdyż większość chmur często jest za mała aby mogła być lepiej zaprezentowana w modelach systemu klimatycznego Ziemi. Jednak najnowsze badania chmur ukazują nam nowe oblicze chmur, które potęgują narastanie globalnego ocieplenia. Procesy te zachodzą zarówno w pionie, jak i w poziomie troposfery. W pracy opublikowanej w Nature przez Joela R. Norrisa i in. w 2016 r., potwierdzona została zgodność badania chmur pomiędzy modelowaniem numerycznym a badaniem satelitarnym. Norris dokonał głębokiej analizy zestawów pomiarów z lat 1983-2009. I zaobserwował dokładnie ten sam przebieg dynamiki chmur w systemie klimatycznym, zarówno w symulacjach komputerowych, jak i w obliczeniach satelitarnych. To znaczy, zauważył korelacje systematycznego ogrzewania się Ziemi przerwanego dwoma większymi wybuchami wulkanicznymi. El Chichon w 1982 r. i Pinatubo w 1991 r. ze zmniejszaniem się lub zwiększaniem pokryw chmurowych. Czyli, ze zmniejszaniem się chmur w atmosferze naszej planety podczas niezaburzonego wzrostu antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych i z krótkotrwałym (najwyżej kilkuletnim) zwiększaniem się chmur podczas silnych erupcji wulkanicznych. Rysunek 4. Rejony, w których zaobserwowano zwiększanie się (kolor niebieski) i zmniejszanie (kolor brązowy) pokrywy chmurowej pomiędzy latami osiemdziesiątymi a pierwszą dekadą XXI wieku. Na górnym panelu wyniki pomiarów satelitarnych a na dolnym - modelowania klimatu. (Joel R. Norris i in., 2016) Na Ziemi nastąpiła w pewnym sensie roszada rozkładu chmur. Tam gdzie powinny być, nie ma ich. I na odwrót. Obecnie jest zauważalny drastyczny spadek ilości chmur nad oceanami w szerokościach umiarkowanych, zwłaszcza nad północnym Atlantykiem oraz w części południowo-wschodniej Oceanu Indyjskiego pomiędzy Australią a Archipelagiem Malajskim. Natomiast przyrost liczby chmur nastąpił w w wielu obszarach międzyzwrotnikowych, zwłaszcza w części północno-zachodniej Oceanu Spokojnego pomiędzy Archipelagiem Malajskim a tropikalną Wschodnią Azją oraz na wyższych szerokościach geograficznych, od borealnych do polarnych. Ten trend będzie utrzymywał się pod warunkiem, że nie nastąpią jakieś potężne erupcje wulkaniczne. Na coraz cieplejszej Ziemi satelity zaobserwowały (zgodnie z modelami numerycznymi) coraz częstsze wędrówki niżów atmosferycznych z szerokości geograficznych klimatu umiarkowanego ku szerokościom polarnym. Wraz z napływem niskich kłębiastych i warstwowych chmur masy powietrza atmosferycznego niosą z sobą ku biegunom również ogromne ilości pary wodnej. W Arktyce para wodna kondensując przekazuje jej lodom ogromną ilość cieplnej energii utajonej. Tak więc, chmury coraz bardziej przyczyniają się do topnienia lodu arktycznego, co jest w 2015 roku nowym odkryciem naukowym. Satelity również zanotowały (zgodnie z modelami numerycznymi) coraz większy przyrost liczby chmur na najwyższych wysokościach troposfery. Norris ze swym zespołem badawczym zauważył, że im wyżej chmury znajdują się, tym coraz grubsza robi się izolacja cieplna przepuszczająca coraz mniej energii cieplnej w podczerwieni. Czułość klimatu, tak jak 2 lata temu u Sherwooda i in. 2014, wyraźnie wskazuje na liczbę 3 stopni Celsjusza w odpowiedzi na podwojenie koncentracji dwutlenku węgla. W dzisiejszych czasach coraz mocniej zaburzony rozkład chmur, związany z przemieszczaniem się ich ku biegunom i najwyższym warstwom troposfery, ma bezpośredni wpływ na coraz większy wzrost temperatury przy powierzchni Ziemi na wszystkich szerokościach geograficznych oraz pośredni wpływ na poszerzanie się stref subtropikalnych związanych z występowaniem coraz uciążliwszych susz. Już dziś najbardziej ekstremalnie te zjawiska zachodzą pośród mieszkańców Bliskiego Wschodu, Afryki Północnej i Afryki Południowej czy Kalifornii. Wszystkie te rejony coraz mocniej są dotknięte niedoborami wody i degradacją terenów uprawnych. Sztuczne chmury. Sztuczne chmury to nic innego jak smugi kondensacyjne, które za sobą zostawiają samoloty na dużych wysokościach. Często pojawiają się też tam, gdzie nigdzie nie powstałyby naturalne chmury. Sumarycznie smugi kondensacyjne zwiększają pokrywę chmur wysokich. I to aż o ok. 11 % (Ulrike Burkhardt i Bernd Karcher, 2011). Gdy sztuczne chmury zleją się z naturalnymi trudno je później odróżnić (John Seifeld, 1998). Zdjęcie. Utrzymujące się smugi kondensacyjne. Zdjęcie zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA. Podobnie jak naturalne pierzaste chmury, sztuczne chmury, zarówno odbijają promienie słoneczne w kosmos (efekt schładzający), jak i pochłaniają promienie ziemskie (efekt ogrzewający). I tu zdecydowanie przeważa efekt ocieplający. Tak więc, chmury pochodzenia lotniczego mają znaczący wpływ na pogłębienie się wymuszenia radiacyjnego w całkowitym bilansie energetycznym Ziemi. Wynosi ono 37,5 mW/m2 (Ulrike Burkhardt i Bernd Karcher, 2011). Nie jest to tak dużo, ale jednak. W porównaniu: Według V raportu IPCC, tylko w 2011 r. wymuszenie radiacyjne mające związek z ludzką działalnością (emisje gazów cieplarnianych, emisje aerozoli, zmiany użytkowania terenu) wyniosło ok. 2290 mW/m2. W ocieplającym się świecie chmury są coraz wyżej, zarówno obu biegunów, jak i najwyższych warstw troposfery. Sumarycznie spada ich liczba w całym systemie klimatycznym. Można sobie wyobrazić, co się będzie działo, gdy para wodna będzie chciała wznieść się jeszcze wyżej. Może nastąpić maksymalne rozregulowanie systemu klimatycznego. Dopóki jednak istnieje para wodna, dopóty istnieją chmury i życie na Ziemi.
Ponieważ chmura naładowana jest ujemnie odpycha ona naładowane ujemnie cząstki w głąb ziemi, dlatego przy jej powierzchni jest przewaga cząstek naładowanych dodatnio. Stąd ładunek powierzchni ziemi jest dodatni.Poszarpany wał szkwałowy z licznymi strzępkami chmur, wskazujący na występowanie bardzo silnych porywów wiatru związanych z prądem zstępującym burzy. (fot. Grzegorz Zawiślak) Jednym z ostatnich symptomów wskazujących na możliwość pojawienia się gwałtownej burzy jest wał szkwałowy, żargonowo nazywany chmurą szelfową. Chmura ta często wzbudza konsternację oraz świadomość nadciągającego zagrożenia, dzięki czemu wiele osób nie ryzykując postanawia schronić się w bezpiecznym miejscu, co jest zachowaniem jak najbardziej prawidłowym. Czasami jednak jest już za późno, zwłaszcza jeśli burza przemieszcza się dość szybko, a wał szkwałowy wyłaniając się nad lasem czy budynkami pozostawia jedynie minuty na znalezienie schronienia. Nie każdy wał szkwałowy wiąże się z wystąpieniem gwałtownych, niszczących zjawisk atmosferycznych, lecz zdecydowana większość – poprzedza wystąpienie zjawisk, które potencjalnie mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia i życia (wszakże najczęściej towarzyszy burzy). Jego obecność nie może być zatem bagatelizowana. W poniższym artykule opisane zostaną wały szkwałowe – przede wszystkim ich wygląd oraz jego cechy charakterystyczne, a także sposób powstawania. Charakterystyka wałów szkwałowych Nadciągający wał szkwałowy (fot. Jan Jakóbczak) Wał szkwałowy nad Krakowem. (fot. Anna Kłosińska) Wał szkwałowy towarzyszący niewielkiej liniowej formacji konwekcyjnej nie przynoszącej wyładowań atmosferycznych. (fot. Igor Laskowski) Wał szkwałowy towarzyszący chmurze kłębiastej deszczowej (łac. Cumulonimbus arcus) jest zwykle podłużną, poziomą, nisko zawieszoną chmurą przypominającą klin lub taran, często nachyloną pod pewnym kątem do powierzchni terenu, przypominając nieraz nawet spodek kosmiczny. Sam w sobie nie jest groźny, jednak może być on zapowiedzią wystąpienia niebezpiecznych zjawisk. Umiejscowiony jest na czele przemieszczających się chmur konwekcyjnych i związany jest z ich frontem szkwałowym (ang. gust front). Najczęściej towarzyszy burzom wielokomórkowym, a zwłaszcza tym, których strefa czołowa jest ułożona liniowo lub łukowo. Wśród nich można wymienić długo „żyjące” burze wielokomórkowe generujące prostoliniowe (jednokierunkowe), niekiedy niszczące porywy wiatru, w tym linie szkwału z sygnaturą bow echo czy też rozległą burzę wielokomórkową derecho, ale towarzyszą również o wiele mniejszym układom liniowym. Oznacza to w rzeczywistości, że wały szkwałowe mogą towarzyszyć burzom o obszarze oddziaływania obejmującym od kilku do kilkuset kilometrów, a niekiedy nawet ponad tysiąc kilometrów długości. Wał szkwałowy może znajdować się również na czele (froncie szkwałowym) najgroźniejszego typu burzy – superkomórki burzowej. Jednak aby powstał wał szkwałowy, nie jest koniecznie istnienie burzy, rozumianej tutaj jako zjawisko któremu towarzyszą wyładowania atmosferyczne. Wał szkwałowy może znaleźć się na czele układów wielokomórkowych nie przynoszących wyładowań atmosferycznych, a zwłaszcza w warunkach napływu (adwekcji) chłodniejszej masy powietrza (polarnomorskiego lub arktycznego), które wypiera znajdujące się przed nim lżejsze powietrze cieplejsze. W takich warunkach (kształtowanych również przez dzienne nasłonecznienie wzmagające ruchy wznoszące powietrza) powstają liczne chmury (komórki) konwekcyjne przynoszące opad deszczu, łączące się w układy wielokomórkowe (często zorganizowane liniowo i nie generujące wyładowań), na czele których może przemieszczać się wał szkwałowy, nierzadko dość masywny. Cumulonimbus arcus może również znajdować się na czele burz, które w wyniku niesprzyjających warunków atmosferycznych uległy osłabieniu (nie generują wyładowań atmosferycznych, czyli błyskawic, piorunów). Czasami wały szkwałowe towarzyszą również chłodnemu frontowi atmosferycznemu, bez obecności burzy. Proces formowania się wałów szkwałowych Fotografia wału szkwałowego przechodzącego 17 czerwca 2016 r. na Podlasiu. Czarną linią oznaczono front szkwałowy (ang. gust front), jasnoniebieską – prąd zstępujący, czerwoną – prąd wstępujący. (fot. Grzegorz Zawiślak) Wał szkwałowy powstaje na czele nasuwających się chmur burzowych w wyniku oddziaływania chłodnego prądu zstępującego (chłodniejszego powietrza, któremu zwykle na powierzchni ziemi towarzyszy opad, często intensywny). Prąd ten, kierując się w stronę powierzchni ziemi, rozprzestrzenia się następnie w zależności od cech otaczającej go masy powietrza. Chłodniejsza, a zarazem cięższa masa powietrza związana z prądem zstępującym wślizguje się wtedy pod masę powietrza cieplejszego znajdującego się przed burzą, powodując jej wymuszone wznoszenie, ochłodzenie i następnie kondensację zawartej w niej pary wodnej (przejście pary wodnej ze stanu gazowego na stan ciekły). Jej efektem jest powstanie chmur budujących wał szkwałowy. Na styku tych różnych mas powietrza znajduje się powierzchnia frontu szkwałowego, która jest zwykle nachylona pod pewnym kątem w stosunku do powierzchni ziemi – podobnie jak dość znaczna część przemieszczających się wałów szkwałowych. Przykłady jak może ten proces wyglądać obrazują nagrania wykonane w technice poklatkowej (timelapse) – na przykład link 1, link 2. Wygląd zewnętrzny wałów szkwałowych Wał szkwałowy przemieszczający się nad Warszawą (fot. Artur Surowiecki) Wał szkwałowy jest podłużną, poziomą, nisko zawieszoną chmurą znajdującą się na czele chmur konwekcyjnych. W rzeczywistości przybierać może różne kształty – wały mogą być jedno lub kilkuwarstwowe, o niewielkiej rozciągłości, czy nawet sięgające powierzchni ziemi. Mogą być mniej lub bardziej regularne, poszarpane, lub też jedynie cząstkowe w zależności od stadium rozwoju. Kształt wału szkwałowego może być również zależny od uwarunkowań środowiskowych, w tym zwłaszcza ukształtowania oraz pokrycia terenu. Na obszarach podgórskich, gdzie podstawa chmur w stosunku do powierzchni terenu znajduje się nieco niżej, a ukształtowanie terenu sprzyja wymuszonym ruchom wznoszącym powietrza, obecność przy powierzchni ziemi strzępków chmur (tzw. scud cloud) nie wykazujących rotacji, a towarzyszących chmurze szelfowej jest dość częsta. Podobnie jak w przypadku większych kompleksów leśnych, nad którymi masa powietrza może charakteryzować się inną temperaturą powietrza i wilgotnością niż na otaczającym terenie. Niekiedy na takim obszarze wał szkwałowy może nawet „nasunąć się” na obserwatora. Efekt ten można zobaczyć na przykład w nagraniu: link Turbulentna, rozległa podstawa wału szkwałowego, nazywana przez łowców burz paszczą wieloryba (ang. whale mouth) (fot. Igor Laskowski) Podstawa chmury szelfowej jest często dość poszarpana i turbulentna, co świadczy o istnieniu dość wyraźnego uskoku wiatru (różnicy w prędkości i kierunku wiatru w małej odległości) wynikającego z interakcji powietrza chłodniejszego w obrębie burzy i cieplejszego znajdującego się przed nim. Z tego względu na czele burzy pod wałami szkwałowymi często można dostrzec pewną rotację w chmurach, lecz nie można pomylić tego zjawiska z trąbą powietrzną, która w obrębie wału szkwałowego nie występuje. Jeśli turbulentna i nieregularna podstawa chmury szelfowej jest dość wyraźna i rozległa, łowcy burz nazywają ją paszczą wieloryba (ang. whale mouth). Czy istnieje zatem możliwość określenia gwałtowności burzy (siły wiatru) na podstawie wyglądu i kształtu wału szkwałowego? Nie. Same cechy wizualne chmury szelfowej nie są wystarczające do stwierdzenia z dużą pewnością jak silny wiatr będzie towarzyszył burzy, ale istnieją pewne przesłanki wskazujące na to, że burza faktycznie może być gwałtowna. Jeśli wał szkwałowy przemieszcza się w stronę obserwatora dość szybko, jest poszarpany, mocno nieregularny (jak na pierwszym zaprezentowanym zdjęciu), z dużą ilością mniejszych lub większych strzępków chmur pod wałem kierujących się w górę, w stronę podstawy chmury – jest to wskazanie że burzy mogą towarzyszyć bardzo silne, niszczące porywy wiatru. Zwłaszcza jeśli obecne są wyraźne, ciemne chmury pyłu unoszone z ziemi w kierunku chmury, w tym również takie, w których można zaobserwować ruch wirowy (tornada szkwałowe – ang. gustnado). Przykład podobnego wału szkwałowego: Bogatynia – 19 lipca 2015 r. Masywny wał szkwałowy, który 26 lipca 2015 r. nadciągnął nad Konin (fot. Rafał Grzybowski) Nie istnieje więc ścisła korelacja pomiędzy masywnością wału szkwałowego i liczbą jego warstw a siłą burzy. W naszym kraju obserwowane były masywne i malownicze wały szkwałowe poprzedzające burze, które nie charakteryzowały się silnymi porywami wiatru (jak np. w Koninie w 2015 r. – zdjęcie obok – czy też na nagraniu wykonanym z Uniwesytetu w Oklahomie – link) z kolei huraganowe podmuchy mogą wystąpić również za niezbyt dobrze rozwiniętymi, jednowarstwowymi wałami szkwałowymi. Masywne, wielowarstwowe wały szkwałowe (składające się z kilku wyraźnych pasów) spotykane są jednak zwłaszcza w przypadku długo „żyjących” burz wielokomórkowych z wbudowanymi liniami szkwału (np. derecho), czasami również superkomórek burzowych, przynoszących również silne, huraganowe porywy wiatru prostoliniowego. Częstość występowania wałów szkwałowych Jednowarstwowy wał szkwałowy, który przemieszczał się 18 listopada 2015 r. w okolicach Opola (fot. Igor Laskowski) Wały szkwałowe w odniesieniu do odsetka obserwowanych burz w Polsce nie występują zbyt często – oficjalne pomiary na ten temat nie są prowadzone, jednak na podstawie doświadczeń autora, liczba chmur szelfowych kształtuje się przeciętnie na poziomie do kilku w roku w danym punkcie, natomiast w sprzyjających warunkach w ciągu roku można zaobserwować nawet do kilkunastu wałów szkwałowych. Powstawać mogą właściwie o każdej porze roku, przy czym z racji rocznego przebiegu występowania okresów z głęboką konwekcją – zdecydowanie częściej latem niż zimą. W okresie chłodnym wały szkwałowe są zwykle mniej rozbudowane (jednowarstwowe) niż latem. Podobieństwo z innymi chmurami Mechanizm powstawania wału rotorowego (ang. roll cloud). Niebieskie strzałki – chłodny prąd zstępujący, czerwone strzałki – ciepły prąd wstępujący. Pomiędzy nimi znajduje się front szkwałowy (ang. gust front). Źródło: Fotografia wału rotorowego przechodzącego nad miejscowością Węgry k. Opola (fot. Sebastian Kuhn) Bardzo podobną chmurą do wału szkwałowego jest wał rotorowy (ang. roll cloud), potocznie nazywany chmurą rolkową, gdyż przypomina kształtem rolkę lub rurę. Podobnie jak wał szkwałowy, znajduje się na czele frontów szkwałowych, jednak nie jest związany bezpośrednio z podstawą chmury burzowej. Zwykle widoczna jest również rotacja wokół osi chmury, wynikająca z istnienia uskoku wiatru spowodowanego interakcją cieplejszego powietrza unoszącego się nad chmurą oraz chłodniejszego prądu zstępującego pod nią, jednak nie jest możliwe pomylenie tego zjawiska z lejem kondensacyjnym. Wały szkwałowe mogą czasami być pomylone z chmurą stropową, będącą charakterystycznym elementem superkomórki burzowej. Chmury stropowe, z których to powstają typowe, mezocyklonalne trąby powietrzne, zwykle zlokalizowane są na w południowej i południowo-zachodniej części superkomórki burzowej, w miejscu napływu chwiejnego powietrza do wnętrza burzy. Wały szkwałowe znajdują się natomiast w przedniej części burzy (na froncie szkwałowym, zwykle we wschodniej części superkomórki) i zazwyczaj nie wykazują cech rotacji. Podsumowanie Obecność wału szkwałowego na czele formacji konwekcyjnej, w tym zwłaszcza burzy generującej wyładowania atmosferyczne nie jest niczym niezwykłym (a już na pewno nie anomalią pogodową!), jednak powinna uzmysłowić ryzyko wystąpienia gwałtownych zjawisk. Istnieje możliwość rozpoznania wału szkwałowego nawet z dużej odległości, co może dać sporo czasu na przygotowanie się do nadejścia burzy, a zwłaszcza schronienie się w bezpiecznym miejscu. Jednak jak już wspomniano na początku artykułu, czasami może być za późno, jeżeli burza przemieszcza się dość szybko a możliwości obserwacji nieba są ograniczone. Dlatego same grzmoty, zwłaszcza powtarzające się i nasilające się, zwłaszcza z kierunku, z którego burza nie może być obserwowana (np. ze względu na przeszkody terenowe) powinny być alarmujące. Każda burza jest niebezpieczna – od momentu gdy chmura konwekcyjna przynosi wyładowania atmosferyczne, które mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia i życia.
chmura przy powierzchni ziemi
