Znamy to z pompki do roweru i z puszki dezodorantu — i dokładnie na tym stoi każda chmura na niebie.
Zanim powiemy cokolwiek o atmosferze, zróbmy dwa doświadczenia, które prawdopodobnie już kiedyś zrobiliśmy przypadkiem.
Pierwsze. Napompujmy energicznie oponę roweru zwykłą pompką, a potem dotknijmy jej dolnej części. Będzie gorąca — czasem tak, że trudno utrzymać. Łatwo to zrzucić na tarcie tłoka o ściankę, ale tarcie odpowiada za mniejszość efektu. Główna przyczyna jest inna: sprężyliśmy powietrze i przez to je ogrzaliśmy.
Drugie. Przytrzymajmy dłużej przycisk puszki dezodorantu albo sprężonego powietrza do klawiatury. Puszka wyraźnie ziębnie, czasem aż do szronu. Znowu łatwo to wytłumaczyć czymś innym — na przykład parowaniem — ale zasadniczy mechanizm jest lustrzanym odbiciem poprzedniego: gaz się rozprężył i przez to ochłodził.
Dlaczego tak jest? Bez wzorów: temperatura gazu to miara tego, jak szybko biegają jego cząsteczki. Ściskając gaz tłokiem, uderzamy w te cząsteczki poruszającą się ścianką i odbijamy je szybsze — czyli podgrzewamy. Pozwalając gazowi się rozprężyć, każemy mu odepchnąć otoczenie; energia na to odpychanie musi skądś pochodzić, a jedyne, co jest pod ręką, to własny ruch cząsteczek. Więc zwalniają. Czyli stygną.
Kluczowe jest to, że nic nie zostało dodane ani zabrane z zewnątrz. Nie było kontaktu z lodówką ani z grzejnikiem. Gaz zmienił temperaturę wyłącznie dlatego, że zmienił objętość. Taką zmianę nazywa się adiabatyczną — od greckiego „nieprzepuszczalny", czyli bez wymiany ciepła z otoczeniem.
Teraz wystarczy zauważyć jedną rzecz, żeby cała atmosfera stała się zrozumiała. Wiemy z Rozdziału 1, że ciśnienie maleje z wysokością — bo słup powietrza nad nami jest coraz krótszy.
Więc jeśli jakaś porcja powietrza z jakiegokolwiek powodu ruszy w górę, trafia w otoczenie o niższym ciśnieniu. Otoczenie ściska ją słabiej, więc ona się rozszerza. A rozszerzając się, musi odepchnąć to otoczenie — i płaci za to własną energią. Stygnie.
To dzieje się bez żadnej lodówki, bez kontaktu z czymkolwiek zimnym i bez „bliskości kosmosu", którą odrzuciliśmy w Rozdziale 2. Wznoszące się powietrze stygnie samo z siebie, po prostu dlatego, że idzie w górę.
I to jest już pełna odpowiedź na pytanie z Rozdziału 2. Słońce grzeje ziemię, ziemia grzeje powietrze od spodu, ogrzane porcje ruszają w górę i po drodze stygną przez rozprężanie. Stąd temperatura maleje z wysokością — nie dlatego, że coś na górze chłodzi, tylko dlatego, że wszystko, co tam trafia, po drodze wystygło.
Tempo tego stygnięcia jest zaskakująco stałe i wynosi około 10 stopni na kilometr. Nazywa się to gradientem suchoadiabatycznym i jest to jedna z niewielu liczb w tej książce, którą naprawdę warto zapamiętać — bo z niej wynika reszta Części III.
Do tej pory zakładaliśmy, że porcja powietrza jest sucha. Zobaczmy, co się zmienia, gdy jest w niej para wodna — a zawsze jakaś jest.
Porcja idzie w górę, rozpręża się, stygnie po dziesięć stopni na kilometr. W pewnym momencie schładza się do punktu rosy z poprzedniego rozdziału. I wtedy zaczyna się skraplanie.
A skraplanie oddaje ciepło. Żeby wodę odparować, trzeba było włożyć energię — i ta energia siedziała w parze przez cały czas, niewidoczna, nie podnosząc temperatury. Nazywa się ciepłem utajonym właśnie dlatego, że się ukrywa: cząsteczki wody, mające dodatni i ujemny koniec, przyciągają się nawzajem i trzeba włożyć energię, żeby je od siebie oderwać (więcej w Rozdziale 3). Przy skraplaniu wraca do powietrza.
Skutek jest taki, że porcja stygnie wolniej — już nie dziesięć stopni na kilometr, tylko jakieś sześć, a w bardzo wilgotnym powietrzu nawet cztery. Dokładna wartość zależy od tego, ile wody się skrapla.
I tu dochodzimy do zdania, które jest kluczem do całej Części IV i do burz w Części VI. Skoro porcja stygnie wolniej niż wcześniej, to szybciej staje się cieplejsza od otoczenia. A cieplejsza od otoczenia znaczy lżejsza. A lżejsza znaczy, że przyspiesza w górę.
Chmura nie jest więc biernym skutkiem wznoszenia. Jest silnikiem: raz uruchomione skraplanie dostarcza ciepła, ciepło podtrzymuje wznoszenie, wznoszenie podtrzymuje skraplanie. To sprzężenie zwrotne odpowiada za to, że kłębiaste chmury rosną, a nie po prostu stoją — i za to, że Cumulonimbus potrafi wystrzelić na dwanaście kilometrów.
Jeśli rozprężanie chłodzi, to sprężanie musi grzać — i w atmosferze też. Najlepszym polskim dowodem jest wiatr halny.
Historia wygląda tak. Wilgotne powietrze napiera na Tatry od południa i musi się przez nie przedostać, więc idzie w górę. Po drodze stygnie: najpierw po dziesięć stopni na kilometr, a od poziomu kondensacji już tylko po sześć — bo powstaje chmura i zaczyna oddawać ciepło utajone. Po stronie słowackiej pada, a chmura zostawia tam swoją wodę.
Potem powietrze przechodzi grzbiet i schodzi po naszej stronie. Ale teraz jest już suche — wodę zostawiło. Więc schodząc, spręża się i grzeje po pełne dziesięć stopni na kilometr, bez żadnego hamowania.
W górę stygło po sześć, w dół grzeje się po dziesięć. Bilans wychodzi na plus i powietrze schodzi do Zakopanego cieplejsze, niż wystartowało po drugiej stronie — czasem o kilkanaście stopni. Stąd zimowe odwilże w Tatrach, śnieg znikający w jeden dzień, charakterystyczne bóle głowy i ta specyficzna przejrzystość powietrza, przy której widać każdy szczegół grani.
Warto docenić, co się właśnie stało: cały halny wyjaśniliśmy dwiema liczbami z tego rozdziału i jedną z poprzedniego. Nie potrzeba było żadnego nowego pojęcia.
Tempo, w jakim wznoszące się powietrze stygnie, nie jest dowolne. Jest to stała fizyczna — taka sama nad Warszawą, nad Saharą i nad Antarktydą, bo wynika wyłącznie z tego, jak powietrze reaguje na spadek ciśnienia.
A ściślej: są dwie takie stałe, bo powietrze zachowuje się inaczej przed skropleniem i po nim.
Te dwie liczby wystarczają, żeby policzyć całkiem sporo rzeczy o niebie — i właśnie dlatego meteorolog rysuje profil temperatury na wykresie, zamiast go zgadywać.
Warto zobaczyć, jak duża to różnica. Bez skraplania powietrze wyniesione na 4 km miałoby −18°C. Ze skraplaniem ma −6°C — czyli jest o dwanaście stopni cieplejsze od wersji suchej. A ponieważ cieplejsze znaczy lżejsze od otoczenia, znaczy też: dalej się wznosi.
To jest właściwy sens zdania „chmura sama się napędza”. Nie chodzi o metaforę, tylko o dwanaście stopni przewagi nad powietrzem, które wilgoci nie miało.
Naturalne wyjaśnienie, dlaczego w górach jest zimniej, brzmi: „bo dalej od nagrzanej ziemi”. Brzmi rozsądnie i jest błędne. Warto zobaczyć dlaczego, bo przy okazji porządkuje to całą resztę.
Ciało może stracić ciepło na trzy sposoby. Przez przewodzenie — oddając je czemuś, czego dotyka. Przez promieniowanie — wypromieniowując energię w przestrzeń. I przez rozprężanie — wykonując pracę przeciw otoczeniu, które na nie napiera.
Wznoszące się powietrze traci ciepło wyłącznie trzecim sposobem. Nie oddaje go otaczającemu powietrzu, bo powietrze fatalnie przewodzi ciepło — na tyle fatalnie, że robi się z niego izolację ścian. Nie wypromieniowuje go też — azot i tlen, jako cząsteczki symetryczne, w podczerwieni prawie nie świecą, a para wodna i dwutlenek węgla świecą, ale zbyt słabo (Rozdział 3) — w żadnej znaczącej ilości w ciągu kilkunastu minut, jakie zajmuje mu wzniesienie się o kilometr.
Zostaje rozprężanie. Bąbel idący w górę wchodzi w powietrze o coraz niższym ciśnieniu, więc puchnie. Puchnąc, rozpycha otoczenie — a rozpychanie to praca, a praca kosztuje energię. Energia bierze się z jedynego dostępnego źródła, czyli z ruchu własnych cząsteczek. Wolniejsze cząsteczki to niższa temperatura.
Praktyczny wniosek jest taki, że powietrze nie ma pamięci o tym, jak wysoko było — ma tylko pamięć o tym, ile wody straciło po drodze. Jeżeli po drodze nic się nie skropliło, powrót w dół przywraca dokładnie stan wyjściowy. Jeżeli skropliło się i spadło jako deszcz, wraca cieplejsze i suchsze, niż wyruszyło. To dokładnie mechanizm halnego z poprzedniej sekcji, opisany od strony bilansu energii.
Cały mechanizm da się narysować jednym obrazkiem, a warto go mieć w głowie, bo wraca w tej książce jeszcze kilkanaście razy.
Widać na nim jedną rzecz, którą łatwo przeoczyć w opisie słownym: bąbel nie rozrzedza się dlatego, że coś z niego ucieka. Liczba cząsteczek jest stała przez cały czas. Rozrzedza się dlatego, że te same cząsteczki zajmują coraz więcej miejsca — a zajmują go coraz więcej, bo z zewnątrz coraz mniej je ściska.
I stąd bierze się jeszcze jeden wniosek, przydatny w Rozdziale 11: tempo stygnięcia zależy tylko od tego, jak szybko spada ciśnienie. A ciśnienie spada z wysokością mniej więcej tak samo wszędzie na Ziemi. Dlatego dziesięć stopni na kilometr jest liczbą uniwersalną, a nie regułą kciuka dopasowaną do Polski.
Reguła kciuka dla wysokości chmur. Weźmy z prognozy temperaturę i punkt rosy przy ziemi. Różnicę podzielmy przez dwa i pomnóżmy przez cztery — wyjdzie mniej więcej wysokość podstawy chmur w setkach metrów. Przy 25°C i punkcie rosy 13°C: różnica 12, dzielone przez 2 to 6, razy 4 to 24 — czyli podstawa około 2400 metrów. Reguła działa zaskakująco dobrze i wyjaśnimy ją w Rozdziale 12.
Halny da się zobaczyć w prognozie. Szuka się różnicy ciśnień między południową a północną stroną Tatr oraz silnego wiatru z południa na wysokości grzbietu. W samym Zakopanem objawem jest gwałtowny wzrost temperatury, spadek wilgotności i charakterystyczna chmura stojąca nad graniami — o niej będzie w Rozdziale 15.
Gdzie jeszcze widać ten mechanizm. Sprężarka lodówki jest gorąca z tyłu, a parownik zimny w środku — to ta sama zasada, wykorzystana celowo. Pompka do materaca grzeje się tak samo jak rowerowa. A odkurzacz wydmuchuje powietrze cieplejsze, niż wciągnął, i nie chodzi tylko o silnik.
Umiemy już schłodzić powietrze i wiemy, kiedy się w nim skropli woda. Zostało pytanie, od którego zależy, czy dzień skończy się płaską szarością, czy burzą: czy porcja powietrza w ogóle zechce się wznieść? Odpowiedź nie zależy od jej własnej temperatury, tylko od porównania z otoczeniem — i to porównanie rozstrzyga się rano, na kilka godzin przed tym, zanim cokolwiek widać na niebie.