Dlaczego burze pojawiają się z piorunami? Wyjaśnienie

Burze z piorunami to jedne z najbardziej spektakularnych i potężnych zjawisk w całej atmosferze Ziemi, a jednocześnie zjawiska, których mechanizm przez wieki pozostawał dla ludzkości tajemnicą. Dziś meteorolodzy i fizycy rozumieją już dokładnie, dlaczego niebo rozświetlają błyskawice, skąd bierze się grzmot i dlaczego właśnie chmury burzowe potrafią wyzwalać energię równą setkom bomb atomowych. Każdego roku na Ziemi dochodzi do ponad 40 000 burz dobowo, a w każdej sekundzie w atmosferze naszej planety wyładowuje się od 40 do 50 piorunów. Polska należy do krajów umiarkowanych szerokości geograficznych, gdzie burze są zjawiskiem sezonowym, lecz wcale nie rzadkim.

Wyjaśnienie tego zjawiska wymaga zrozumienia kilku powiązanych ze sobą procesów: ruchu mas powietrza, elektryzowania się chmur i wreszcie samego wyładowania elektrycznego, które widzimy jako błyskawicę i słyszymy jako grzmot. Przyjrzyjmy się im krok po kroku.

Jak powstaje chmura burzowa

Każda burza zaczyna się od ciepłego, wilgotnego powietrza przy powierzchni ziemi. Gdy słońce nagrzewa grunt, a grunt oddaje ciepło leżącym tuż nad nim warstwom atmosfery, ciepłe powietrze (lżejsze od chłodniejszego otoczenia) zaczyna unosić się ku górze w postaci kominów konwekcyjnych. W miarę wznoszenia się powietrze oziębia się, para wodna w nim zawarta skrapla się i powstaje chmura.

W sprzyjających warunkach ten proces trwa i nabiera dynamiki. Energia uwalniana podczas skraplania wody podgrzewa otaczające powietrze, co napędza dalsze wznoszenie, a to z kolei wywołuje dalsze skraplanie. Tak tworzy się chmura burzowa, po łacinie zwana Cumulonimbus (Cb), olbrzymi "komin" atmosferyczny mogący sięgać od 2-3 km nad ziemią aż do 12-15 km wysokości, a w tropikach nawet powyżej 20 km.

Charakterystyczny wygląd chmury burzowej

Cumulonimbus jest rozpoznawalny już na pierwszy rzut oka. Na dole ma rozległą, ciemną, szaro-ołowianą podstawę nisko nad ziemią. Ku górze kształt staje się "kalafiorowaty", zbudowany z zaokrąglonych wieżyczek. Na samym szczycie, gdy chmura napotyka stratosferę (lub tropopauza wiatr poziomy), rozkłada się poziomo w charakterystyczny kształt kowadła (incus). Chmura burzowa jest widoczna z odległości setek kilometrów.

• Podstawa chmury: zazwyczaj od 500 m do 2 km nad ziemią
• Wierzchołek: od 8 do 15 km (w Polsce), do 20 km w tropikach
• Czas życia jednej komórki burzowej: od 30 minut do kilku godzin
• Rozmiar poziomy: od kilku do kilkuset kilometrów (układy wielokomórkowe)

Mechanizm elektryzowania się chmury burzowej

Najciekawszy i przez długi czas najtrudniejszy do wyjaśnienia aspekt burzy to powstawanie ładunków elektrycznych w chmurze. Dziś wiemy, że odpowiedzialny za to jest mechanizm graupelowy (od niem. Graupel, czyli krupy lodowe).

Wewnątrz dojrzałej chmury Cumulonimbus istnieje intensywna cyrkulacja pionowa. Silne prądy wstępujące (updraft) pędzą w górę z prędkościami dochodzącymi do 50 m/s i więcej, niosąc ze sobą drobne krople wody i lodowe kryształki. W środkowych partiach chmury, gdzie temperatury wahają się od –5°C do –40°C, istnieje jednocześnie woda w stanie ciekłym (woda przechłodzona) i lód.

Mechanizm powstawania ładunków

Gdy duże ziarna lodu (graupel, krupy) o większej masie opadają ku dołowi chmury, zderzają się z małymi lodowymi kryształkami unoszonymi w górę przez prądy wstępujące. Przy każdym takim zderzeniu następuje transfer ładunku elektrycznego: małe kryształki lodowe pobierają ładunek dodatni i unoszą go ku wierzchołkowi chmury, natomiast ciężkie graupele zabierają ze sobą ładunek ujemny i opadają ku dolnym partiom chmury. W efekcie:

• Wierzchołek chmury gromadzi ładunki dodatnie
• Podstawa chmury gromadzi główne ładunki ujemne
• Pod podstawą chmury, na powierzchni ziemi, indukuje się ładunek dodatni

Z czasem różnica potencjałów między dolną (ujemną) podstawą chmury a (dodatnią) ziemią staje się tak wielka, że izolacyjne właściwości powietrza nie są już w stanie jej utrzymać. Dochodzi do wyładowania, czyli pioruna. Napięcie w momencie wyładowania szacuje się na od 100 milionów do miliarda woltów, a przez kanał pioruna przepływa prąd rzędu 20 000 do 300 000 amperów.

Jak przebiega wyładowanie piorunowe

Piorun, choć wydaje się nam błyskawicznym, jednorazowym zjawiskiem, jest w rzeczywistości sekwencją kilku następujących po sobie procesów, które rozgrywają się w ułamkach sekundy.

Lider schodkowy

Wyładowanie rozpoczyna się od niewidocznego gołym okiem lidera schodkowego (stepped leader), czyli jonizowanego kanału powietrza, który zaczyna "szukać" drogi z chmury ku ziemi. Postępuje on skokowo, w krokach po kilkadziesiąt metrów, rozgałęziając się jak korzenie drzewa. Nie świeci, jest prawie niewidoczny, lecz jonizuje powietrze na swojej drodze.

Strimery

Gdy lider zbliża się do ziemi, z ziemi i z wystających obiektów (drzewa, maszty, budynki, ludzie) zaczynają wystrzelać ku górze strimery (streamers), czyli krótkie kanały jonizowane biegnące ku liderowi. Kiedy jeden ze strimerów i lider schodkowy spotkają się, zamyka się kanał przewodzący między chmurą a ziemią.

Wyładowanie zwrotne

W ułamku sekundy przez zamknięty kanał przepływa wyładowanie zwrotne (return stroke), czyli właśnie to, co widzimy jako błyskawicę. Wyładowanie biegnie od ziemi do chmury (nie od chmury do ziemi, jak się potocznie uważa) z prędkością sięgającą jednej trzeciej prędkości światła. Kanał pioruna nagrzewa się w ułamku sekundy do temperatury około 30 000 K, czyli pięciokrotnie wyższej niż temperatura powierzchni Słońca. To ta nagła ekspansja termiczna powietrza wzdłuż kanału tworzy falę uderzeniową, którą słyszymy jako grzmot.

Dlaczego błyskawicę widzimy przed grzmotem?

Błyskawicę widzimy praktycznie natychmiast, bo światło rozchodzi się z prędkością około 300 000 km/s. Grzmot dochodzi do nas z prędkością dźwięku, czyli około 340 m/s (lub 1,2 km/min). Prosta zasada: licząc sekundy między błyskiem a grzmotem i dzieląc przez 3, otrzymamy przybliżoną odległość burzy w kilometrach. Na przykład 9 sekund oznacza burzę oddaloną o około 3 km.

Rodzaje piorunów i wyładowań

Nie wszystkie wyładowania atmosferyczne uderzają w ziemię. Meteorolodzy wyróżniają kilka głównych typów piorunów:

• Pioruny doziemne (CG) - wyładowania między chmurą a ziemią, najbardziej znane i niebezpieczne dla ludzi
• Wyładowania wewnątrzchmurowe (IC) - najczęstszy typ, około 75% wszystkich wyładowań; zachodzą wewnątrz jednej chmury
• Wyładowania chmura-chmura (CC) - między dwiema różnymi chmurami
• Pioruny chmura-powietrze - rozładowują się w czystym powietrzu, nie osiągając ziemi
• Wyładowania zielone i niebieskie (elfy, duszki, odrzutowce) - rzadkie wyładowania skierowane ku górze, ponad wierzchołek chmury w stronę jonosfery

Burze w Polsce i ich sezonowość

Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego przejściowego, gdzie burze są zjawiskiem głównie sezonowym. Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej (IMGW-PIB) monitoruje wyładowania atmosferyczne w Polsce za pomocą sieci detektorów PERUN. Dane statystyczne pokazują interesujące wzorce:

• Sezon burzowy trwa od kwietnia do września, ze szczytem w czerwcu i lipcu
• Rocznie w Polsce odnotowuje się od 400 000 do ponad miliona doziemnych wyładowań piorunowych
• Najbardziej aktywna burzowo jest Polska południowa, szczególnie Tatry i Beskidy
• Najrzadziej burze występują na Wybrzeżu Bałtyckim i Pojezierzu Mazurskim
• Średnio każdy punkt w Polsce doświadcza 2-3 uderzeń pioruna w przeliczeniu na km kw. rocznie (na południu kraju nawet 4-6)

Tatry są szczególnie narażonym obszarem ze względu na rzeźbę terenu. Szczyty górskie koncentrują ładunki elektryczne i są naturalnym "punktem przyciągania" dla liderów schodkowych. Dlatego burze w górach są wyjątkowo niebezpieczne, a wypadki turystów porażonych piorunem zdarzają się co roku.

Bezpieczeństwo podczas burzy

Wiedza o fizycznych mechanizmach burzy ma bezpośrednie, praktyczne znaczenie dla bezpieczeństwa. Piorun uderzający w człowieka lub w pobliski obiekt może być śmiertelny. W Polsce co roku dochodzi do kilku do kilkunastu śmiertelnych porazeń piorunem, a kilkadziesiąt osób doznaje urazów nieśmiertelnych.

Zasady bezpieczeństwa w terenie otwartym

• Obserwuj niebo: szybko rozwijające się chmury kumulusowe to pierwszy sygnał możliwej burzy
• Jeśli liczba sekund między błyskiem a grzmotem jest mniejsza niż 30, burza jest bliżej niż 10 km i należy szukać schronienia
• Unikaj otwartych przestrzeni, pól, łąk, plaż i szczytów górskich
• Unikaj samotnych drzew: drzewo jest naturalnym odgromnikiem, lecz prąd wyładowania rozchodzi się wzdłuż pnia i w glebie nawet kilkanaście metrów od podstawy
• Nie używaj parasoli, kijków trekkingowych ani innych przedmiotów wystających ponad głowę
• Wyjdź z wody (jeziora, morza, rzeki) i oddal się od linii brzegowej
• Kucnij na ziemi z nogami złączonymi, jak najniżej, bez kładzenia się płasko

Bezpieczeństwo w budynku i samochodzie

W budynku zaopatrzonym w sprawny odgromnik jesteśmy bezpieczni. Należy jednak unikać kontaktu z metalowymi elementami instalacji, nie brać kąpieli (woda przewodzi prąd), nie używać telefonów stacjonarnych (telefony komórkowe są bezpieczne) i unikać okien. Samochód z metalową karoserią (nie kabrio ani nie pojazdy z włókna szklanego) stanowi tzw. klatkę Faradaya i chroni skutecznie przed bezpośrednim trafieniem pioruna.

Zmiany klimatyczne a burze w Polsce

Badacze atmosfery i klimatolodzy obserwują w ostatnich dekadach zmiany w charakterze burz w Polsce i w całej Europie Środkowej. Choć nie można przypisać żadnej konkretnej burzy bezpośrednio zmianom klimatycznym, dane z wieloletnich obserwacji wskazują na pewne trendy, które warto znać.

Według analiz IMGW-PIB w Polsce rośnie liczba tzw. gwałtownych zjawisk atmosferycznych, w tym nawalnych deszczów, burz z gradem i trąb powietrznych. Sezon burzowy wydłuża się, a burze coraz częściej pojawiają się poza "tradycyjnymi" miesiącami letnimi: w marcu, październiku, a nawet w zimie. Cieplejsze letnie temperatury oznaczają więcej energii w atmosferze, co sprzyja tworzeniu się głębokich, silnych chmur burzowych Cumulonimbus.

Szczególnie niepokojący jest wzrost liczby tzw. burz superkomórkowych, czyli wyjątkowo groźnych, zorganizowanych systemów burzowych, wyposażonych w stały, wirujący prąd wstępujący (mezocyklon). To właśnie superkomórki odpowiadają za większość trąb powietrznych, największych gradów (nawet powyżej 5 cm średnicy) i najbardziej niszczycielskich wyładowań atmosferycznych. Takie burze notowano w Polsce m.in. w 2012, 2017 i kolejnych latach, powodując ogromne szkody w rolnictwie, leśnictwie i infrastrukturze.

Nauka o burzach, zwana keraunologią lub stormologią, jest dziś dynamicznie rozwijającą się dziedziną. Połączenie danych radarowych, satelitarnych, sieci detektorów piorunów i modeli numerycznych prognozowania pogody pozwala coraz trafniej przewidywać, gdzie i kiedy dojdzie do wyładowań. Ma to ogromne znaczenie praktyczne, szczególnie dla rolnictwa, energetyki, lotnictwa i służb ratunkowych.

Często zadawane pytania

Czy piorun może uderzyć dwa razy w to samo miejsce?

Tak, i to często. Jest to mit, że piorun nie uderza dwa razy w to samo miejsce. W rzeczywistości wysokie, wystające obiekty, takie jak wieże radiowe, kominy, czy Statua Wolności w Nowym Jorku, są uderzane wielokrotnie podczas jednej burzy. Antena Empire State Building w Nowym Jorku jest trafiana piorunem przeciętnie ponad 20 razy rocznie. Mechanizm jest prosty: te same cechy geometryczne i elektryczne obiektu, które spowodowały pierwsze uderzenie, powodują też kolejne.

Dlaczego grzmot toczy się przez wiele sekund?

Grzmot trwa wiele sekund, bo kanał pioruna ma od kilkuset metrów do kilku kilometrów długości. Dźwięk z różnych części kanału dociera do naszych uszu z różnym opóźnieniem (bo dźwięk potrzebuje czasu na pokonanie odległości). Grzmot z bliskiego końca kanału słyszymy wcześniej, z dalszego końca, później. Efektem jest ten charakterystyczny "toczący się" dźwięk, który może trwać od kilku do kilkudziesięciu sekund. Dodatkowo dźwięk odbija się od chmur, wzgórz i budynków, co wydłuża wrażenie grzmotu.

Czy można przewidzieć burzę?

Tak. Nowoczesna meteorologia dysponuje zaawansowanymi narzędziami prognozowania burz. IMGW-PIB wydaje ostrzeżenia burzowe nawet z kilkudziennnym wyprzedzeniem. Radary meteorologiczne (w Polsce sieć POLRAD) śledzą opady i strukturę chmur burzowych w czasie rzeczywistym. Sieci detektorów piorunów (w Polsce PERUN, w Europie EUCLID) lokalizują wyładowania z dokładnością do kilkuset metrów. Aplikacje pogodowe pokazują aktywność burzową na żywo. Warto korzystać z tych narzędzi, planując aktywności na świeżym powietrzu.

Co to jest piorun kulisty?

Piorun kulisty (ball lightning) to tajemnicze zjawisko atmosferyczne, polegające na pojawieniu się świecącej kuli o rozmiarach od kilku do kilkudziesięciu centymetrów, zazwyczaj podczas burzy lub tuż po niej. Kule te poruszają się w różnych kierunkach, mogą przenikać przez zamknięte okna i drzwi, a znikają nagle, niekiedy z głośnym hałasem. Zjawisko jest dobrze udokumentowane przez tysiące świadków, lecz jak dotąd nie ma powszechnie akceptowanego naukowego wyjaśnienia jego mechanizmu. Hipotezy obejmują plazmoidy, mikrofale ze źródeł zewnętrznych, reakcje chemiczne w atmosferze i inne procesy.

Ile energii niesie jeden piorun?

Energia jednego wyładowania piorunowego wynosi przeciętnie od 1 do 5 gigadżuli, lecz czas trwania tego wyładowania jest tak krótki (od kilkuset mikrosekund do ułamka sekundy), że "moc chwilowa" jest astronomiczna: rzędu terawatów (bilionów watów). Co ciekawe, całkowita energia jednego pioruna, gdyby udało się ją w całości pozyskać, wystarczyłaby zaledwie do naładowania kilkuset smartfonów lub spalenia jednej żarówki przez kilka miesięcy. Pioruny nie są zatem praktycznym źródłem energii, mimo ogromnej mocy chwilowej.

Czy można bezpiecznie obserwować burzę?

Burzę można obserwować bezpiecznie z wnętrza solidnego budynku lub szczelnie zamkniętego samochodu z metalową karoserią. Okno lub szklane drzwi nie stanowią zagrożenia, jeśli nie stoim bezpośrednio przy metalowych framugach. Niebezpieczna jest obserwacja na zewnątrz lub z otwartego tarasu podczas aktywnej burzy. Amatorzy fotografii błyskawic, tzw. storm chasers, używają specjalnych technik i sprzętu oraz dokładnie planują pozycję obserwacyjną z uwzględnieniem dróg ucieczki i odległości od komórek burzowych. Nie należy naśladować tych technik bez odpowiedniego przygotowania i wiedzy meteorologicznej.