Dodatek WWzory · niePoziom · głębiejEXT OF · R.24, R.23
Dodatek W / Głębiej

Superkomórka, grad i trąby powietrzne w Polsce

Mezocyklon, echo hakowe, skale Fujity i TORRO, klimatologia trąb w Polsce i nawałnica z sierpnia 2017.

Mezocyklon · co odróżnia superkomórkę

Burza, która się obraca

Zwykła komórka burzowa zabija samą siebie. Prąd wstępujący wynosi wilgoć w górę, powstaje opad, opad spada — i spada dokładnie tam, gdzie wznosi się powietrze. Chłodne, opadające powietrze podcina dopływ ciepłego i po niecałej godzinie jest po burzy. To cykl życia z Rozdziału 23.

Superkomórka omija ten mechanizm samobójstwa jedną sztuczką: jej prąd wstępujący jest przechylony, więc opad wypada obok, a nie na niego. Dopływ ciepłego powietrza pozostaje otwarty i burza żyje kilka godzin zamiast czterdziestu minut.

Przechylenie bierze się z uskoku wiatru — czyli tego, że wiatr na różnych wysokościach wieje inaczej. Przy ziemi z południa i słabo, na wysokości 6 km z zachodu i mocno. Taki układ robi dwie rzeczy naraz.

Po pierwsze pochyla wieżę. Górna część chmury jest znoszona w bok względem podstawy, więc kolumna opadu ląduje kilka kilometrów od kolumny wznoszenia.

Po drugie — i to jest właściwa różnica — tworzy poziomy wir. Warstwa powietrza, w której dół płynie wolno, a góra szybko, obraca się jak ołówek położony między dwiema dłońmi przesuwanymi w przeciwne strony. Ten wir leży poziomo. Prąd wstępujący, który przez niego przechodzi, podnosi go i stawia pionowo. Powstaje obracająca się kolumna powietrza o średnicy 3–10 km, sięgająca przez całą chmurę: mezocyklon.

Uskok wiatru → wir poziomy → mezocyklontrzy kroki
1 · wiatr rośnie z wysokością 6 km: 25 m/s przy ziemi: 6 m/s 2 · warstwa zaczyna się toczyć wir leży poziomo — jeszcze nic nie zapowiada burzy 3 · prąd stawia wir pionowo mezocyklon: 3–10 km średnicy, obrót przez całą wysokość chmury
Bursztyn to prąd wstępujący, cyan to oś obrotu, niebieski to wiatr otoczenia. Mezocyklon nie powstaje w chmurze — powstaje w powietrzu, zanim chmura się pojawi, i zostaje przez nią tylko podniesiony.

Praktyczna konsekwencja: superkomórka jest przewidywalna z wyprzedzeniem. Uskok wiatru widać w prognozie na kilkanaście godzin przed pierwszą chmurą. Meteorolog nie zgaduje, czy burza się obróci — sprawdza, czy atmosfera ma z czego zrobić obrót.

Radar · jak to wygląda z góry

Echo hakowe i dlaczego jest hakiem

Radar meteorologiczny nie widzi chmury. Widzi opad — krople i grad odbijają falę radiową, kropelki chmurowe praktycznie nie. Powód jest ten sam, co przy rozpraszaniu światła na cząsteczkach powietrza: fala radaru ma kilka centymetrów, więc nawet kropla deszczu jest od niej dużo mniejsza, a dla cząstek dużo mniejszych od fali siła rozpraszania rośnie z szóstą potęgą średnicy (Dodatek C). Kropla dwa razy większa odbija sześćdziesiąt cztery razy mocniej, a kropla deszczu, sto razy większa od kropelki chmurowej, odbija bilion razy mocniej. Superkomórka na radarze to zwykle owalna plama, ale z jednym charakterystycznym szczegółem: na jej tylnej, południowo-zachodniej stronie plama wygina się w cienki, zakrzywiony wyrostek. To echo hakowe.

Hak nie jest wirem. Jest opadem owiniętym wokół wiru. Mezocyklon obraca się na tyle silnie, że wciąga deszcz z tylnej części burzy i owija go wokół siebie. Radar rysuje więc kształt czegoś, czego nie widzi — jak liście wciągnięte w spiralę pokazujące położenie trąby wodnej.

Pusty obszar w środku haka to obszar bezechowy z ograniczeniem — kolumna wznoszenia tak silna, że opad nie zdąża się w niej uformować, zanim zostanie wyniesiony na górę. Innymi słowy: dziura na radarze jest w tym miejscu najgorszą wiadomością, jaką radar może dać.

Trzy rzeczy, które na radarze poprzedzają trąbę
Echo hakowe: opad owinięty wokół mezocyklonu — wskazuje położenie, nie siłę
Sygnatura wirowa (radar dopplerowski): piksele „do” i „od” radaru stykające się bokiem — to jest właściwy dowód obrotu
Sygnatura szczątków: chaotyczne echo o niskiej korelacji — radar widzi wynoszone szczątki, czyli trąba już jest na ziemi
Kolejność jest chronologiczna i to jest jej sens. Hak bywa fałszywym alarmem, sygnatura wirowa daje kilkanaście minut ostrzeżenia, a sygnatura szczątków jest potwierdzeniem — i tylko ona jest pewna, bo dopiero ona jest oglądaniem skutku zamiast przesłanki.
Grad · dlaczego bywa wielki

Warstwy cebuli i jedna liczba

Gradzina zaczyna się jako zmarznięta kropla o średnicy poniżej milimetra. Rośnie, wychwytując wodę przechłodzoną — ciekłą wodę o temperaturze poniżej zera, o której była mowa w Rozdziale 13. Woda przymarza do niej przy zderzeniu.

Rozcięta gradzina ma warstwy jak cebula, na przemian mętne i przezroczyste. Mętne powstają tam, gdzie woda zamarzała szybko, zatrzymując pęcherzyki powietrza. Przezroczyste — tam, gdzie zamarzała powoli i pęcherzyki zdążyły uciec. Warstwy nie oznaczają jednak „tyle razy poleciała w górę i w dół”; to popularna, ale fałszywa interpretacja. Oznaczają zmienne warunki na drodze, po której gradzina przemieszczała się przez chmurę — najczęściej jednym, dość złożonym torem.

Rozmiar końcowy zależy od jednego: jak długo gradzina utrzyma się w strefie wody przechłodzonej. A to zależy od prądu wstępującego, bo gradzina rośnie dokładnie tak długo, jak długo prąd potrafi ją utrzymać w powietrzu.

Jaki prąd wstępujący utrzyma gradzinę
1 cm (groszek): ok. 15 m/s — zwykła silna burza
2 cm (orzech laskowy): ok. 21 m/s — burza organizująca się
5 cm (jajko): ok. 33 m/s — praktycznie zawsze superkomórka
10 cm (pięść): ok. 47 m/s — rekordowe warunki
Grad wielkości jajka mówi nam, że gdzieś nad głową jest kolumna powietrza jadąca do góry ponad 120 km/h.
Ta zależność działa też w drugą stronę i to czyni z gradu narzędzie obserwacyjne. Nie musimy widzieć wnętrza burzy — wystarczy zmierzyć to, co spadło. Grad, który nie mieści się w dłoni, jest dowodem na prąd wstępujący, jakiego zwykła burza nie wytworzy.

W Polsce grad powyżej 5 cm zdarza się kilka razy w dekadzie; rekordy krajowe przekraczają 10 cm. Największe polskie gradobicia notowano latem na Podkarpaciu, Lubelszczyźnie i Mazowszu — czyli tam, gdzie latem najłatwiej o gorące, wilgotne powietrze pod chłodnym powietrzem w górze.

Skale · jak mierzy się to, czego nie da się zmierzyć

Fujita, EF i TORRO

Prędkości wiatru w trąbie powietrznej praktycznie nie da się zmierzyć bezpośrednio — anemometr w jej środku przestaje istnieć. Dlatego wszystkie skale trąb są skalami zniszczeń: ogląda się skutek i wnioskuje o przyczynie.

Skala Fujity (F0–F5), z 1971 roku, była pierwsza. Jej wadą było przypisywanie zbyt wysokich prędkości — zakładała, że zerwanie dachu wymaga większego wiatru, niż wymaga naprawdę.

Ulepszona skala Fujity (EF0–EF5), obowiązująca w USA od 2007 roku, poprawia to, oceniając 28 rodzajów obiektów osobno. Ta sama trąba dostaje w niej zwykle numer taki sam lub niższy niż w starej skali, ale przypisana prędkość jest niższa.

Skala TORRO (T0–T11), europejska, jest dwa razy gęstsza — dwa stopnie TORRO odpowiadają mniej więcej jednemu Fujity. W Europie używa się jej obok EF.

Co widać na ziemi
EF0 (105–137 km/h): połamane gałęzie, uszkodzone rynny
EF1 (138–177 km/h): zerwane pokrycie dachu, przewrócone przyczepy
EF2 (178–217 km/h): zerwane dachy domów, wyrwane z korzeniami duże drzewa
EF3 (218–266 km/h): zawalone ściany, uniesione samochody
EF4 (267–322 km/h): domy zrównane z ziemią
EF5 (powyżej 322 km/h): zmiecione fundamenty
Skala mówi więc o budynkach co najmniej tyle, co o wietrze. Ta sama trąba nad polem dostanie EF0 z braku czego zniszczyć, a nad osiedlem EF3. Porównując statystyki krajów, porównujemy po części ich budownictwo.
Polska · skala zjawiska

Ile ich naprawdę jest

Polska nie jest krajem bez trąb powietrznych. Notuje się ich średnio kilkanaście do dwudziestu kilku rocznie, przy czym większość to zjawiska słabe, EF0–EF1, trwające minuty i przechodzące nad polami. Trąby EF3 i silniejsze zdarzają się mniej więcej raz na kilka lat.

Liczba zgłoszeń rośnie, ale to w dużej mierze artefakt obserwacyjny: telefony z aparatem, media społecznościowe i sieć obserwatorów wyłapują dziś zjawiska, które trzydzieści lat temu przeszłyby niezauważone. Odróżnienie rzeczywistego trendu klimatycznego od poprawy wykrywalności jest w tej dziedzinie otwartym problemem.

Kiedy i gdzie
Szczyt sezonu: czerwiec–sierpień, z maksimum w lipcu
Pora doby: 15:00–20:00 — po dogrzaniu się powietrza
Najczęściej: pas od Wielkopolski przez Łódzkie po Mazowsze i Lubelskie
Najrzadziej: pas nadmorski i wysokie góry
Rozkład dobowy jest tu ważniejszy niż geograficzny. Trąby powstają wtedy, gdy energia zgromadzona przez dzień jest największa — czyli późnym popołudniem, a nie w nocy. To ten sam zegar, który każe w Rozdziale 18 wypatrywać Cumulusa congestus po południu.

Nawałnica z 11 sierpnia 2017 jest najlepiej udokumentowanym polskim przypadkiem. Nad Borami Tucholskimi przeszedł układ burzowy z porywami szacowanymi na ponad 150 km/h, powalając około 80 tysięcy hektarów lasu. Zginęło sześć osób.

Istotny szczegół: to w większości nie była trąba powietrzna, tylko downburst — gwałtowny prąd zstępujący, rozlewający się przy ziemi na boki. Rozróżnienie widać po powalonych drzewach. Trąba układa je w sposób zbieżny, często krzyżujący się, bo wiatr obraca się wokół osi. Downburst układa je równolegle i rozbieżnie, wachlarzem od punktu uderzenia. Zdjęcia lotnicze z Borów Tucholskich pokazują wachlarze.

To rozróżnienie nie jest pedanterią. Downburst jest w Polsce znacznie częstszy niż trąba i odpowiada za większość szkód wiatrowych — a ponieważ nie ma efektownego leja, bywa mylony z trąbą w relacjach i nie doczekał się własnego miejsca w wyobraźni. Ostrzeżenie przed burzą z gwałtownym wiatrem dotyczy w Polsce najczęściej właśnie jego.