Chmura nie jest obiektem, który gdzieś leci. Jest procesem, który stoi w miejscu, podczas gdy powietrze przez niego przepływa.
Mamy wilgotne powietrze, mamy je schłodzone poniżej punktu rosy — wydawałoby się, że chmura powstanie sama. Otóż nie do końca, i ten szczegół jest ładniejszy, niż się wydaje.
W idealnie czystym powietrzu para wodna nie chce się skraplać, nawet mocno schłodzona. Powód jest geometryczny: żeby powstała kropelka, kilka cząsteczek musi się spotkać i utworzyć zawiązek. Ale bardzo mała kropelka ma silnie zakrzywioną powierzchnię, z której cząsteczki uciekają wyjątkowo łatwo — więc zawiązek rozpada się natychmiast po powstaniu. W laboratorium, w powietrzu przefiltrowanym do czysta, można schłodzić parę do kilkuset procent wilgotności względnej i nic się nie stanie.
W prawdziwej atmosferze nie ma tego problemu, bo jest w niej pełno jąder kondensacji: drobin soli morskiej, pyłu mineralnego, sadzy, pyłków roślin, cząstek z wulkanów i ze spalin. Woda osadza się na nich zamiast budować kroplę od zera — od razu ma płaskie podłoże i problem zakrzywienia znika. Wystarczy wtedy przekroczenie stu procent o ułamek procenta.
Wniosek jest paradoksalny i wart zapamiętania: bez zanieczyszczeń nie byłoby chmur. Ani deszczu. To, co potocznie nazywamy brudem w powietrzu, jest warunkiem istnienia pogody.
Ma to zresztą mierzalne konsekwencje. Nad oceanem, gdzie jąder jest mało i są to głównie ziarna soli, powstaje mniej kropelek — ale każda jest większa, bo cała dostępna woda rozkłada się na mniejszą liczbę. Nad miastem jąder są miliony, więc kropelek jest bardzo dużo i każda jest drobna. Chmury miejskie są przez to bielsze (drobnych kropelek jest więcej, więc rozpraszają więcej światła, a same niczego nie pochłaniają) i trudniej im spaść deszczem — kropelki są za małe, żeby urosnąć.
↓ Dodatek J — jądra kondensacji: sól, pył i powietrze, które nie chce chmurKropelka chmurowa ma średnicę około dwudziestu mikrometrów — jednej pięćdziesiątej milimetra. Kropla deszczu ma około dwóch milimetrów, czyli sto razy więcej.
Sto razy większa średnica to milion razy większa objętość. Żeby powstała jedna kropla deszczu, musi się połączyć mniej więcej milion kropelek chmurowych. Ta liczba jest powodem, dla którego chmura wcale nie musi padać, i dlaczego większość chmur na niebie nigdy nie spadnie — o czym będzie osobno w Rozdziale 16.
W jednym metrze sześciennym typowej chmury jest kilkaset milionów kropelek, a łącznie stanowią one około pół grama wody. Chmura jest więc obiektem zaskakująco rozrzedzonym: gdyby zebrać całą wodę ze średniego Cumulusa i wlać do beczek, zajęłaby zdumiewająco mało miejsca w porównaniu z rozmiarem chmury.
„Zdumiewająco mało" nie znaczy jednak „mało". Cumulus o boku kilometra to miliard metrów sześciennych, po pół grama każdy — czyli pięćset ton wody. Tyle waży sto słoni. A Cumulonimbus bywa sto razy większy.
Chmury unoszą się, bo są lekkie — lżejsze od powietrza.
Chmura jest cięższa od powietrza, które zajmowałoby jej miejsce. Średni Cumulus waży kilkaset ton. Kropelki cały czas opadają — po prostu bardzo wolno, około centymetra na sekundę — a powietrze pod nimi wznosi się szybciej.
Mit bierze się z wyglądu: chmura wygląda na puszystą, a puszyste rzeczy kojarzą się z lekkością. Prawdziwa odpowiedź jest ciekawsza, bo tłumaczy przy okazji, dlaczego chmura znika, gdy wznoszenie ustaje.
Powód, dla którego tak drobna kropelka opada tak wolno, jest ten sam, dla którego pyłek unosi się w powietrzu godzinami, a kamień spada natychmiast. Opór powietrza rośnie z powierzchnią, a ciężar z objętością — i przy bardzo małych rozmiarach opór wygrywa z ogromną przewagą.
Kropelka o średnicy dwudziestu mikrometrów opada z prędkością około centymetra na sekundę. Prąd wstępujący w zwykłym termiku ma metr na sekundę, czyli sto razy więcej. Wynik jest przesądzony: kropelki są niesione w górę, mimo że cały czas próbują spadać.
To wyjaśnia od razu drugą rzecz. Gdy prąd wstępujący ustaje — wieczorem, gdy Słońce przestaje nagrzewać ziemię — kropelki zaczynają wygrywać i chmura opada. Opadając, trafia w cieplejsze warstwy i po prostu wyparowuje. Dlatego popołudniowe kłębiaste chmury znikają przed zachodem, choć nikt ich nie sprząta.
↓ Dodatek L — prędkość opadania i prawo Stokesa, z rachunkiemTeraz najważniejsza zmiana perspektywy w całej Części III. Naturalnie myślimy o chmurze jak o przedmiocie: obiekcie, który powstał, przemieszcza się i kiedyś zniknie. Tymczasem chmura jest procesem.
Przez chmurę cały czas przepływa powietrze. Wchodzi od spodu, wilgotne i przezroczyste. Na poziomie kondensacji woda się w nim skrapla i staje się widoczna. Powietrze idzie dalej w górę, a na brzegach chmury miesza się z suchym otoczeniem, kropelki parują i chmura tam się kończy.
W efekcie chmura stoi, a materia przez nią przelatuje. Kropelka, którą widzimy w danym miejscu, jest tam od kilkudziesięciu sekund; za chwilę wyparuje i zastąpi ją nowa.
Najbliższą analogią jest stojąca fala na rzece. Woda przepływa nieustannie, a kształt fali trwa. Nikt nie powie, że fala „płynie" — jest wzorem w przepływie. Chmura jest dokładnie tym samym, tylko z powietrzem zamiast wody i ze skraplaniem zamiast piętrzenia.
To ujęcie tłumaczy trzy rzeczy naraz, których wersja „chmura to przedmiot" nie tłumaczy wcale:
Dlaczego chmura soczewkowata stoi nieruchomo nad górą przy silnym wietrze. Bo powietrze przez nią przelatuje z prędkością wichury, a proces stoi tam, gdzie stoi przeszkoda. Wrócimy do tego w Rozdziale 15.
Dlaczego brzegi chmur kłębiastych są ostre. Bo tam kończy się warunek skraplania, a przejście od „skrapla się" do „paruje" jest gwałtowne. Ostry brzeg to nie ściana — to granica procesu.
Dlaczego chmury zmieniają kształt w minutach. Bo nic w nich nie jest trwałe. To, na co patrzymy, jest bezustannie odtwarzane.
Jeśli w bezchmurny letni dzień spojrzymy na niebo pełne kłębiastych chmurek, zobaczymy coś, co przy odrobinie uwagi jest zdumiewające: wszystkie mają dno na dokładnie tej samej wysokości. Nie mniej więcej — dokładnie. Nad całą okolicą, aż po horyzont, biegnie idealnie pozioma linia, poniżej której nie ma ani jednej chmury.
Wyjaśnienie mamy już w całości i wynika z trzech rzeczy, które kolejno ustaliliśmy. Cała okolica jest przykryta jedną masą powietrza o mniej więcej jednakowej temperaturze i jednakowym punkcie rosy. Każda porcja tego powietrza, ruszając w górę, stygnie w tym samym tempie — dziesięć stopni na kilometr. Więc każda osiąga punkt rosy na tej samej wysokości.
Nie ma tam żadnej powierzchni, na której chmury by leżały. Jest po prostu wysokość, poniżej której woda jeszcze się nie skropliła, a powyżej — już tak. Płaskie dno to widoczna granica warunku fizycznego, i to jest chyba najładniejsza rzecz, jaką da się zobaczyć, patrząc w górę bez żadnego sprzętu.
Wysokość tej granicy da się policzyć w pamięci i to działa. Bierzemy różnicę między temperaturą a punktem rosy przy ziemi i mnożymy przez sto dwadzieścia pięć — wynik w metrach. Przy 25°C i punkcie rosy 15°C: różnica dziesięć, razy 125, czyli 1250 metrów. Spójrzmy potem w niebo i porównajmy z podaną w prognozie lotniczej podstawą chmur. Zgadza się z dokładnością do stu-dwustu metrów.
Widget poniżej pozwala to zobaczyć. Suwak punktu rosy przesuwa dno chmury w górę i w dół, bo dosłownie to właśnie robi w rzeczywistości. Suwak grubości pokazuje drugą rzecz z Rozdziału 3: chmura ciemnieje od spodu, nie zmieniając koloru — bo krople niczego nie pochłaniają (Rozdział 3), a to głębokość optyczna, a nie barwnik.
Chmura policzona z tych samych liczb
Ten sam silnik wolumetryczny, którego użyjemy w całym atlasie chmur. Tutaj sterujemy nim dwiema wielkościami z tego rozdziału.
Zwróćmy uwagę na dwie rzeczy. Po pierwsze: dno zostaje płaskie niezależnie od wszystkiego — bo jest granicą warunku, nie kształtem obiektu. Po drugie: przy dużej grubości spód robi się ciemny, choć nic w chmurze nie zmieniło koloru. To ta sama głębokość optyczna, o której była mowa w Rozdziale 3.
Sprawdźmy regułę stu dwudziestu pięciu. Bierzemy z aplikacji temperaturę i punkt rosy, mnożymy różnicę przez 125 i dostajemy wysokość podstawy w metrach. Potem porównujemy z rzeczywistością — najprościej z aplikacją lotniczą, która podaje podstawę chmur w stopach nad lotniskiem (jedna stopa to około 30 cm). To jedno z niewielu obliczeń w tej książce, które można wykonać w głowie i natychmiast zweryfikować oczami.
Chmurka nad polem, nie nad lasem. Latem w słoneczny dzień warto popatrzeć, gdzie stoją małe kłębiaste chmurki. Rzadko są rozłożone równomiernie — grupują się nad suchymi polami, nieużytkami, dużymi połaciami asfaltu, a unikają lasów i jezior. Każda z nich to znacznik kolumny wznoszącego powietrza, a więc w praktyce mapa nagrzania terenu widziana z góry.
Cień chmury mówi o jej grubości. Chmura, która rzuca na ziemię wyraźny, ostry i ciemny cień, jest gruba. Taka, przez którą Słońce prześwituje jako jasna plama, jest cienka. To najprostszy sposób oceny, którego nie zaburza kontrast z tłem — a więc pozbawiony wady, którą omawialiśmy w Rozdziale 4.
Umiemy zrobić chmurę i wiemy, dlaczego wisi. Kończymy tym samym Część III — całą fizykę mamy już za sobą. Od następnego rozdziału zaczynamy patrzeć: dziesięć rodzajów chmur, trzy piętra i metoda, która pozwala nazwać każdą z nich w pięć sekund, bez uczenia się czegokolwiek na pamięć. Każda nazwa okaże się konsekwencją czegoś, co już wiemy.