To, czy dzień skończy się płaską szarością, czy burzą, rozstrzyga się rano — w kilku liczbach, których nie widać, ale których skutki widać przez cały dzień.
Zdanie „ciepłe powietrze się unosi" jest w obiegu tak długo, że przestaliśmy je kwestionować. A jest niepełne w sposób, który psuje wszystko, co dalej.
Porcja powietrza nie ma żadnego czujnika własnej temperatury i żadnej skłonności do wznoszenia się. Działa na nią wyłącznie siła wyporu — ta sama, co na korek w wodzie. A wypór zależy od porównania: cieplejsze powietrze jest rzadsze, więc jeśli jest rzadsze niż to, co je otacza, wypływa do góry. Jeśli nie — nie.
Kluczowa poprawka brzmi więc: liczy się nie temperatura porcji, tylko różnica między porcją a otoczeniem na tej samej wysokości. Porcja o temperaturze 15°C uniesie się bez trudu, jeśli wokół jest 10°C — i natychmiast opadnie, jeśli wokół jest 20°C.
Tu wraca cały poprzedni rozdział. Wznosząca się porcja stygnie po dziesięć stopni na kilometr, bo się rozpręża. To jej tempo. A otoczenie ma swoje własne, zupełnie niezależne tempo — takie, jakie akurat ustaliła historia pogody z ostatnich dni. Cała stabilność atmosfery to wyścig tych dwóch temp.
Jeśli otoczenie stygnie z wysokością wolniej niż porcja, to porcja szybko staje się chłodniejsza od otoczenia, robi się gęstsza i opada z powrotem. Nic się nie unosi, nic nie rośnie, niebo zostaje płaskie. Jeśli otoczenie stygnie szybciej niż porcja, to porcja pozostaje cieplejsza, więc przyspiesza w górę — i mamy kolumny, wieże, kalafiory.
W praktyce spotykamy trzy sytuacje i każda ma swój charakterystyczny wygląd nieba. Nauczywszy się je rozpoznawać, potrafimy o dziesiątej rano powiedzieć, co się będzie działo po południu — i to jest jedna z rzeczy, które ta książka naprawdę daje.
Równowaga stała. Otoczenie stygnie powoli, mniej niż pięć stopni na kilometr. Nic nie chce się wznosić, pionowe mieszanie zamiera. Powietrze rozkłada się warstwami, dym z komina rozpływa się poziomo zamiast iść w górę, a jeśli powstaną chmury, będą to płaskie płaty bez struktury. Typowy listopadowy dzień w Polsce.
Równowaga chwiejna. Otoczenie stygnie szybciej niż dziesięć stopni na kilometr — czyli szybciej, niż stygnie wznosząca się porcja. Wtedy każde zaburzenie się wzmacnia. Powietrze rusza kolumnami, powstają kłębiaste chmury o wyraźnej strukturze, po południu potrafi z tego wyjść burza. Typowy upalny lipcowy dzień.
Równowaga warunkowa. Otoczenie stygnie gdzieś pomiędzy — szybciej niż porcja wilgotna, wolniej niż sucha. To najczęstszy przypadek i najciekawszy, bo wynik zależy od tego, czy porcja zdąży dojść do poziomu kondensacji. Jeśli nie dojdzie, opadnie i nic się nie stanie. Jeśli dojdzie, skraplanie zacznie ją dogrzewać i pojedzie do góry, jakby ktoś odblokował hamulec.
To ostatnie jest w meteorologii wyjątkowo ważne, bo tłumaczy, dlaczego burze wybuchają nagle, a nie narastają stopniowo. Cała energia siedzi w powietrzu od rana — brakuje tylko impulsu, który podniesie porcję dostatecznie wysoko. Impulsem bywa nagrzane pole, zbocze, granica frontu albo mijające się wiatry. Potem wystarczy sekunda i uruchamia się to, co opisaliśmy w poprzednim rozdziale.
Szczególnym przypadkiem równowagi stałej jest inwersja: sytuacja, w której temperatura na pewnej wysokości nie tylko przestaje spadać, ale rośnie. Wyżej jest cieplej niż niżej — profil się odwraca, stąd nazwa.
Dla wznoszącego się powietrza to ściana nie do przejścia. Porcja idąca w górę stygnie po swoje dziesięć stopni na kilometr, a otoczenie robi się coraz cieplejsze — więc różnica narasta błyskawicznie i porcja zostaje odbita w dół. Nic nie przechodzi.
Skutki są bardzo wyraźne i większość z nas widziała je wielokrotnie:
Chmury spłaszczone od góry. Kłębiaste chmury rosną do poziomu inwersji i tam kończą, rozlewając się na boki. Efekt to charakterystyczne niebo, w którym wszystkie chmury mają nie tylko wspólne dno, ale i wspólny sufit.
Smog w kotlinie. Zimą w Krakowie, Nowym Sączu, Zakopanem czy Rybniku wychłodzone nocą powietrze zalega na dnie doliny, a nad nim leży warstwa cieplejsza. Pod tą czapą nic nie ucieka — dym z kominów, spaliny, wilgoć zostają w środku i zagęszczają się przez wiele dni. To nie jest problem „braku wiatru"; to jest brak pionowego mieszania.
Odwrócone temperatury w górach. Wyjazd kolejką w górę potrafi zimą oznaczać wyjście w słońce i temperaturę wyższą o kilkanaście stopni niż na dole. Nazywa się to inwersją dolinną i jest po prostu tym samym profilem oglądanym od środka.
Głosy niosące się nad wodą. Inwersja zakrzywia także dźwięk — fale dźwiękowe biegnące w górę wracają w dół i niosą się dużo dalej niż zwykle. Stąd wrażenie, że nad jeziorem o poranku słychać rozmowę z drugiego brzegu.
Najciekawsze bywa jednak zniknięcie inwersji. Jeśli Słońce zdąży w ciągu dnia nagrzać powierzchnię dostatecznie mocno, czapa zostaje przebita — i cała energia zgromadzona pod nią uwalnia się naraz. Popołudnia, które zaczynają się mgliście i sennie, a kończą gwałtowną burzą, mają najczęściej właśnie taką historię.
Została ostatnia rzecz: skąd bierze się pierwszy impuls. Bo dotąd mówiliśmy, co się dzieje z porcją, która już rusza w górę — ale coś musi ją wypchnąć.
Odpowiedzią jest nierównomierne nagrzewanie powierzchni. Słońce świeci równo, ale powierzchnia reaguje bardzo różnie. Suche, ciemne pole nagrzewa się szybko: ciemna powierzchnia pochłania światło i zamienia je w ciepło, jasna rozprasza je z powrotem w niebo (por. Rozdział 3). Asfalt i dachy jeszcze szybciej. Świeżo zaorana ziemia szybciej niż łąka. Las — bardzo wolno, bo cała energia idzie na parowanie z liści. Jezioro praktycznie wcale, bo woda ma ogromną pojemność cieplną, a światło widzialne przenika w nią głęboko i rozprasza się w grubej warstwie zamiast grzać samą powierzchnię.
Nad ciepłymi plamami powietrze nagrzewa się bardziej niż nad sąsiednimi. Przez jakiś czas trzyma się przy ziemi, aż różnica zrobi się dostateczna — wtedy odrywa się jako bąbel i rusza w górę. Taki bąbel nazywa się termikiem.
Jeśli powietrze jest dostatecznie wilgotne, termik dojdzie do poziomu kondensacji i na jego szczycie pojawi się mała chmurka. I to jest wyjaśnienie czegoś, co widzimy latem codziennie: małe kłębiaste chmurki nie stoją przypadkowo. Każda z nich jest znacznikiem termiki pod spodem, a więc pośrednio mapą tego, co jest na ziemi.
Korzystają z tego szybownicy i ptaki. Szybowiec krążący pod chmurką nie szuka chmurki — szuka kolumny wznoszącego powietrza, której chmurka jest wierzchołkiem. Bociany i myszołowy robią dokładnie to samo, i z tego samego powodu widuje się je krążące nad polami, a nie nad lasem.
Termika ma też swój rytm dobowy, wart zapamiętania: rusza mniej więcej dwie godziny po wschodzie, nabiera siły do wczesnego popołudnia, maksimum osiąga między czternastą a szesnastą i zamiera przed zachodem. Dlatego kłębiaste chmurki, które rano rosną, wieczorem po prostu znikają — silnik się wyłączył, a to, co zostało, wyparowuje.
Meteorolog nie ocenia chwiejności na oko. Rysuje dwie linie na jednym wykresie i patrzy, która jest po której stronie. To najprostsze narzędzie w całej prognozie pogody i warto je raz zobaczyć, bo pokazuje mechanizm, o którym mówiliśmy słowami.
Linia pierwsza to rzeczywista temperatura powietrza na kolejnych wysokościach. Mierzy się ją balonem wypuszczanym dwa razy na dobę — w Polsce robi to kilka stacji, między innymi Legionowo, Łeba i Wrocław.
Linia druga to temperatura, jaką miałby bąbel powietrza wyniesiony z ziemi, stygnący według stałych z Rozdziału 10: dziesięć stopni na kilometr przed skropleniem, około sześciu po.
I teraz cała reguła, w jednym zdaniu: tam, gdzie bąbel jest cieplejszy od otoczenia, wznosi się dalej sam z siebie. Tam, gdzie chłodniejszy — opada z powrotem.
Środkowy wykres opisuje typowy burzowy dzień i wyjaśnia coś, co inaczej wygląda na kaprys pogody: dlaczego burza wybucha nagle, po godzinach spokoju. Powietrze przez cały ranek nie chce się wznosić, bo poniżej poziomu kondensacji jest chłodniejsze od otoczenia. Ale jeśli coś je tam dopchnie — nagrzane pole, zbocze, front — to od tego punktu bąbel jest już cieplejszy i reszta dzieje się sama, na przestrzeni dziesięciu kilometrów w górę.
To także powód, dla którego prognoza burzowa jest tak trudna. Warunki bywają gotowe na całym obszarze, ale wyzwolenie zależy od lokalnego szczegółu: czy akurat tam było pole zamiast lasu, czy przeszedł słaby front, czy wiatr napotkał wzniesienie. Model widzi warunki; nie widzi, czy ktoś pociągnie za spust.
Cały ten rozdział da się sprowadzić do jednej obserwacji porannej, którą można zrobić przez okno przy kawie. Chodzi o odpowiedź na pytanie: ile pionu ma dzisiejsze niebo.
Warto zauważyć, że wszystkie cztery obserwacje dotyczą tego samego: jak daleko w pionie powietrze zdołało zajść. Chwiejność nie jest cechą pogody, tylko cechą profilu temperatury — a chmury są jedynym sposobem, w jaki ten profil daje się zobaczyć gołym okiem.
I stąd bierze się coś, co przewija się przez całą tę książkę: chmura nie jest ozdobą nieba ani skutkiem pogody. Jest przyrządem pomiarowym, który atmosfera rysuje sama dla siebie — a my mamy do niego wgląd za darmo, wystarczy podnieść głowę.
Inwersja to sytuacja odwrócona względem normalnej: warstwa, w której wyżej jest cieplej, a nie zimniej. Powietrze z dołu, wznosząc się, trafia na coś cieplejszego od siebie — i nie ma jak przez to przejść. Zatrzymuje się jak balon pod sufitem.
Inwersja powstaje najłatwiej w bezchmurną, bezwietrzną noc. Ziemia wypromieniowuje ciepło w przestrzeń i szybko stygnie; powietrze tuż przy niej stygnie razem z nią, a to kilkadziesiąt metrów wyżej zostaje ciepłe. Rano mamy więc zimną warstwę pod ciepłą — czyli dokładnie sytuację odwróconą.
Konsekwencje są bardzo praktyczne i wszystkie wynikają z jednego: nic, co jest pod inwersją, nie ma jak się z niej wydostać.
Odwrotna strona tego samego mechanizmu jest jednym z ładniejszych widoków, jakie oferuje polska zima: wyjazd w góry ponad warstwę inwersji. Sto metrów przewyższenia potrafi zamienić szarość trwającą tydzień w słońce i granatowe niebo, a w dole zostaje gładkie, białe morze Stratocumulusa z wystającymi z niego szczytami. Widać wtedy dosłownie kreskę, o której mówi ten rozdział.
Gdyby wznoszenie zależało wyłącznie od profilu temperatury, chmury pokrywałyby niebo równomiernie. A nie pokrywają — Cumulusy stoją w wyraźnych, oddzielonych kępach, między którymi jest czysty błękit. Powód jest przy ziemi.
Słońce grzeje wszystko jednakowo, ale nie wszystko jednakowo się nagrzewa. Suche, ciemne, pozbawione roślinności powierzchnie oddają ciepło powietrzu szybko. Mokre, jasne i porośnięte — wolno, bo część energii idzie na parowanie zamiast na ogrzewanie.
To wyjaśnia obserwację, którą łatwo zrobić samemu: w bezchmurny letni dzień nad dużym jeziorem prawie nigdy nie ma Cumulusów, a nad sąsiadującym z nim polem są. Woda nagrzewa się bardzo powoli, więc nie oddaje powietrzu ciepła, więc nie ma czym wystartować termik. Ten sam efekt widać z samolotu nad wybrzeżem: pas chmur zaczyna się dokładnie tam, gdzie kończy się morze.
Szybownicy używają tej wiedzy wprost — szukają termików nad zaoranymi polami, ścierniskami i zabudowaniami, a omijają lasy i wodę. Chmura jest dla nich znacznikiem: tam kończy się kolumna wznoszącego się powietrza. Lecą nie do chmury, tylko pod nią.
Jest w tym jeszcze jeden wniosek, przydatny w Części VI. Skoro chmura oznacza, co jest pod nią, to zmiana krajobrazu zmienia niebo. Osuszone torfowisko, wycięty las, rozlane miasto — każde z nich przesuwa mapę termików, a więc i mapę chmur. Nie jest to teoretyczne: nad dużymi miastami mierzy się realnie więcej konwekcji i więcej opadów po ich zawietrznej stronie.
Jak z porannego nieba ocenić popołudnie. Jeśli o dziewiątej rano niebo jest już usiane małymi kłębiastymi chmurkami z płaskimi dnami — dzień będzie chwiejny i po południu warto się spodziewać sporego rozwoju, może burzy. Jeśli o dziewiątej niebo jest gładkie, mgliste albo pokryte jednolitą warstwą, prawdopodobnie zostanie takie do wieczora. Jeśli widać wieżyczki na chmurach średniego piętra — to sygnał chwiejności wysoko i najlepsza domowa zapowiedź burzy, o czym w Rozdziale 15.
Dym z komina jako darmowy przyrząd. Idzie prosto w górę — powietrze się miesza. Kładzie się poziomo na pewnej wysokości — jest tam inwersja i widzimy dokładnie, na jakiej wysokości. Wije się nieregularnie — silna turbulencja. To działa i zimą, i latem, i jest szybsze niż jakakolwiek aplikacja.
Smog to problem pionowy, nie poziomy. W kotlinie w bezwietrzny mroźny dzień wymiana powietrza w poziomie nie pomoże, bo czapa i tak trzyma wszystko na dole. Sytuacja poprawia się dopiero wtedy, gdy nadejdzie front albo silny wiatr rozbije inwersję. To dlatego alarmy smogowe kończą się nagle, w ciągu godzin, a nie stopniowo.
Mamy komplet: wodę, mechanizm chłodzenia i warunek, przy którym powietrze zechce się wznieść. Zostało złożyć to w chmurę — i zobaczyć, że chmura nie jest przedmiotem, tylko procesem stojącym w miejscu, przez który przepływa powietrze. Przy okazji rozstrzygniemy pytanie z okładki: dlaczego dna chmur kłębiastych są płaskie i dlaczego wszystkie leżą na tej samej wysokości.