Stopnie · 4Podstawa · płaskaWierzchołek · kalafiorKowadło · tropopauza
Rozdział 17 / Atlas

Od bawełnianej kulki do kowadła

Ta sama chmura, która o dziesiątej wygląda jak kłębek waty, o siedemnastej może mieć dwanaście kilometrów wysokości i własną energetykę.

TL;DR
Ciąg dalszy · to jedna chmura, nie cztery

Cztery stopnie tej samej rzeczy

Klasyfikacja podaje cztery osobne nazwy i to jest mylące, bo sugeruje cztery gatunki. W rzeczywistości patrzymy na jeden obiekt w czterech momentach swojego życia — i przy odrobinie cierpliwości da się to zobaczyć w ciągu jednego popołudnia, nie ruszając się z miejsca.

Cumulus humilis — „skromny". Szerszy niż wyższy, płaskie dno, zaokrąglona góra, wygląda jak kłębek waty. Pojawia się przed południem, gdy ruszy termika. To chmura pięknej pogody i nic z niej nie spadnie.

Cumulus mediocris — mniej więcej tak wysoki, jak szeroki. Góra zaczyna się piętrzyć. Wczesne popołudnie.

Cumulus congestus — „stłoczony", wyraźnie wyższy niż szerszy, o wypukłej, kalafiorowej górze. Może już z niego przelotnie padać. Po angielsku nazywany towering cumulus, wieża.

Cumulonimbus — wierzchołek dotarł do tropopauzy i rozlał się w kowadło. Pada, grzmi, czasem grad.

Przejście przez cały ten ciąg zajmuje typowo od trzydziestu minut do dwóch godzin. To jest w atmosferze rzadkość: większość opisywanych w tej książce zjawisk trwa albo sekundy, albo dni. Rozwój chmury kłębiastej mieści się akurat w takim czasie, że da się go obejrzeć od początku do końca, siedząc na kocu.

Jedno popołudnie, jedna chmura

Suwak jest w istocie zegarem. Zmienia głównie jedną liczbę — grubość — a wraz z nią zmienia się nazwa.

przeciągnij, żeby obejść · Ctrl+kółko przybliża
Ten widget potrzebuje WebGL Diagram poniżej pokazuje ten sam ciąg jako rysunek, z zaznaczoną tropopauzą i kowadłem.

Warto poruszyć samym suwakiem grubości i zobaczyć, że podstawa nie drgnie. Chmura rośnie wyłącznie w górę, bo dno jest przywiązane do poziomu kondensacji, a ten zależy od temperatury i punktu rosy przy ziemi — czyli od czegoś, co przez popołudnie zmienia się bardzo niewiele.

Dwie granice · góra i dół rządzą się czym innym

Dlaczego dno jest płaskie, a góra kalafiorowa

To pytanie wygląda na jedno, a są to dwa całkiem różne pytania z dwiema różnymi odpowiedziami. Warto je rozdzielić, bo razem tłumaczą wygląd każdej chmury kłębiastej, jaką kiedykolwiek zobaczymy.

Dno jest płaskie, bo jest granicą warunku. Wiemy to z Rozdziału 12: całe powietrze w okolicy ma podobną temperaturę i punkt rosy, więc każda wznosząca się porcja osiąga nasycenie na tej samej wysokości. Poniżej — para niewidzialna. Powyżej — kropelki. Granica jest ostra i pozioma, bo warunek jest ostry i jednakowy w całej okolicy.

Góra jest kalafiorowa, bo jest granicą ruchu. Wierzchołek to miejsce, gdzie wznoszące się powietrze wypycha się w spokojne otoczenie i miesza się z nim. Mieszanie jest z natury chaotyczne i dzieje się w wielu skalach naraz — stąd bąble na bąblach, czyli dokładnie to, co widzimy jako kalafior. Wierzchołek nie ma jednej wysokości, bo każda porcja ma trochę inną energię.

Jest w tym jeszcze jedna elegancka konsekwencja. Skoro góra chmury ciągle się miesza z suchym otoczeniem, to ciągle na brzegach paruje — i właśnie dlatego rosnący Cumulus wygląda, jakby kipiał. Nie jest to złudzenie: patrzymy na kropelki powstające i znikające w tempie kilkunastu sekund.

Cztery stopnie i tropopauzajedno popołudnie
poziom kondensacji — wspólne dno tropopauza · sufit humilis 11:00 mediocris 12:30 congestus 14:00 · już kropi Cumulonimbus 16:00 · burza kowadło — z lodu wszystkie cztery mają dno na tej samej wysokości — bo to jedna masa powietrza
Cyjan to woda ciekła, fiolet to lód. Zmiana koloru wierzchołka jest tą samą informacją, co zmiana kształtu.
Sygnał · moment, w którym robi się poważnie

Zlodzenie wierzchołka

Teraz najbardziej praktyczna rzecz w tym rozdziale. Rosnący congestus i dojrzały Cumulonimbus wyglądają z ziemi podobnie — obie są wielkie, białe i piętrzące się. Jak odróżnić chmurę, która zaraz przyniesie przelotny deszcz, od takiej, która przyniesie burzę z piorunami?

Nie po ciemności. Nie po wielkości. Po fakturze wierzchołka.

Dopóki chmura jest zbudowana z kropelek wody, jej krawędzie są ostre i wyraźnie odcięte — kropelki są gęsto upakowane i chmura ma niemal powierzchnię. Gdy wierzchołek dotrze na wysokość, gdzie woda zamarza, kropelki zamieniają się w kryształy — a wtedy, dokładnie z powodów opisanych w Rozdziale 14, faktura zmienia się na miękką, włóknistą, rozmytą.

Ta zmiana wyglądu to moment, w którym Cumulus congestus formalnie staje się Cumulonimbusem. I nie jest to kosmetyka: zlodzenie jest warunkiem powstania wyładowań. Elektryzacja burzy wymaga zderzeń kryształków lodu z gradzinkami w obecności wody przechłodzonej. Bez lodu nie ma piorunów — więc widoczna zmiana faktury naprawdę odpowiada zmianie tego, do czego chmura jest zdolna.

W praktyce: jeśli wierzchołek wielkiej białej chmury zrobił się z ostrego miękki, mamy do czynienia z burzą, nawet jeśli jeszcze nie grzmi. To jedyny wizualny test w tej książce, który warto traktować jako ostrzeżenie bezpieczeństwa.

Kowadło · sufit i to, co go przebija

Dlaczego szczyt jest płaski

Kowadło poznaliśmy już w Rozdziale 2: chmura rośnie do tropopauzy, tam kończy się wyporność, więc energia idąca dotąd w pion musi pójść w poziom. Warto dołożyć trzy szczegóły, bo wszystkie są widoczne z ziemi i wszystkie coś znaczą.

Kowadło jest z lodu i dlatego jest białe i włókniste. Na jedenastu kilometrach nie ma innej możliwości. Biel jest tu taka sama jak w kropelkach: kryształki lodu niczego ze światła widzialnego nie pochłaniają, tylko je rozpraszają, wszystkie barwy po równo (Rozdział 3). Bywa rozwiane na dziesiątki kilometrów i to ono sprawia, że burzę widać ze stu kilometrów.

Kierunek kowadła pokazuje, dokąd idzie burza — z grubsza, bo pokazuje wiatr na dużej wysokości, a burza przesuwa się mniej więcej z nim. To użyteczne: stojąc daleko, patrzymy, w którą stronę „wieje" ogon kowadła.

Przebicie wierzchołka. Jeśli prąd wstępujący jest bardzo silny, ma dość rozpędu, żeby wepchnąć się kilkaset metrów ponad tropopauzę, mimo że traci już wyporność. Tworzy się wtedy kopuła wystająca ponad płaszczyznę kowadła — po angielsku overshooting top. Widziana z satelity albo z boku, z daleka, jest jednym z najpewniejszych znaków, że mamy do czynienia z burzą bardzo silną. Wrócimy do tego w Rozdziale 24.

Jest jeszcze jeden szczegół, który wygląda na drobiazg, a jest ładnym potwierdzeniem całej mechaniki: pileus, czyli czapeczka. To gładka, soczewkowata chmurka pojawiająca się na kilka minut tuż nad rosnącą wieżą. Powstaje, bo wieża pcha przed sobą warstwę wilgotnego powietrza i unosi ją — dokładnie jak fala nad grzbietem górskim z Rozdziału 15, tylko że tu „górą" jest sama chmura. Pileus oznacza więc bardzo szybkie wznoszenie i jest znakiem, że chmura właśnie mocno przyspiesza.

Skala · ile w tym energii

Jedna komórka burzowa

Zanim przejdziemy do Części V, warto ustawić skalę, bo Cumulonimbus jest największym pojedynczym obiektem, jaki opisuje ta książka.

Typowa komórka burzowa ma podstawę o średnicy kilku kilometrów i wysokość dwunastu. Zawiera rzędu pół miliona ton wody — sto razy więcej niż zwykły Cumulus z Rozdziału 12.

Ale najbardziej uderza nie masa, tylko energia. Skraplanie tej ilości wody uwalnia ciepło utajone rzędu 1015 dżuli — porównywalne z energią sporej bomby jądrowej. Różnica jest taka, że burza uwalnia to przez godzinę i w objętości kilkudziesięciu kilometrów sześciennych, więc nie niszczy okolicy; napędza za to prądy wstępujące dochodzące do czterdziestu metrów na sekundę i wyrzuca grad kilometry w górę.

Zwróćmy uwagę, skąd ta energia pochodzi. Nie z wiatru, nie z ciśnienia, nie z elektryczności. Ze skraplania pary wodnej — czyli z ciepła utajonego, o którym była mowa w Rozdziale 10 i które przez cały czas siedziało niewidoczne w przezroczystym powietrzu. Burza jest w gruncie rzeczy maszyną, która zamienia wilgoć w ruch.

Zegar · jak długo trwa każdy etap

Popołudnie chmury, godzina po godzinie

Cumulus jest jedną z niewielu rzeczy w atmosferze, których pełny cykl życia da się obejrzeć w całości, nie ruszając się z miejsca. Zajmuje popołudnie i mieści się w oknie, w którym da się pić kawę na balkonie.

Typowy letni dzień w Polsceod termiki do kowadła
10:0012:0014:00 16:0018:00 poziom kondensacji — dno wszystkich chmur termika nagrzewanie humilis mediocris congestus Cumulonimbus szersza niż wyższa 1:1 wyższa niż szersza szczyt zlodzony kowadło = lód Dno nie drgnie przez cały dzień. Rośnie tylko góra — i to jest cała historia.
Nie każdy dzień dochodzi do końca tego wykresu; większość zatrzymuje się na humilis albo mediocris i wieczorem zwija się z powrotem. O tym, jak daleko zajdzie, rozstrzyga profil temperatury ustalony jeszcze rano.

Warto zwrócić uwagę na jedną rzecz, którą widać na tym rysunku, a trudno zobaczyć na niebie: dno nie rusza się przez cały dzień. Rośnie wyłącznie góra. Jeśli więc mamy wrażenie, że chmury „opadają” przed burzą, to zwykle złudzenie wywołane przez inne chmury, pojawiające się niżej w padającym deszczu.

Drugą rzeczą wartą uwagi jest tempo. Przejście od humilis do congestus zajmuje kilka godzin, ale ostatni krok — zlodzenie szczytu i rozlanie kowadła — trwa kilkanaście minut. Chmura, która przez trzy godziny wyglądała niegroźnie, zmienia charakter szybciej, niż zdąży się wrócić z pola. Stąd zalecenie z Rozdziału 23, żeby decyzję o powrocie podejmować na etapie congestusa, a nie kowadła.

Masa · liczba, w którą trudno uwierzyć

Ile waży chmura nad podwórkiem

Cumulus wygląda na lekki i to jest chyba najgłębiej zakorzenione złudzenie dotyczące nieba. Warto je rozbić liczbą, bo liczba jest tu bardziej przekonująca niż jakiekolwiek wyjaśnienie.

Średni Cumulus humilis
Wymiary: 1 km × 1 km × 1 km — czyli kostka o boku kilometra
Objętość: 1 miliard m³
Zawartość wody ciekłej: około 0,5 g na m³
Masa samej wody: 500 ton
Pięćset ton to mniej więcej masa stu słoni albo w pełni załadowanego Airbusa A380 razy sześć. A mówimy o zwykłej, małej chmurce pięknej pogody, nie o burzy. Cumulonimbus, mający kilkanaście kilometrów wysokości i kilka szerokości, niesie setki tysięcy ton wody.

Skoro tak, to dlaczego to nie spada. Odpowiedź nie brzmi „bo jest lekkie” — właśnie policzyliśmy, że nie jest. Brzmi tak: woda w chmurze jest rozdrobniona na kropelki o średnicy około dwudziestu mikrometrów, a takie kropelki opadają z prędkością około jednego centymetra na sekundę. Powietrze pod nimi wznosi się zwykle szybciej — nawet słaby termik daje kilkadziesiąt centymetrów na sekundę.

Kropelki więc opadają cały czas. Po prostu opadają w rzece, która płynie w górę szybciej, niż one w dół. To ten sam powód, dla którego kurz unosi się w słonecznym pokoju: nie jest nieważki, tylko zbyt drobny, żeby wygrać z ruchem powietrza.

I stąd bierze się warunek deszczu. Żeby woda z chmury dotarła do ziemi, kropelki muszą urosnąć na tyle, żeby ich prędkość opadania przewyższyła prądy wstępujące. Kropla deszczu o średnicy 2 mm opada z prędkością około 6,5 m/s — sześćset razy szybciej niż kropelka chmurowa. Cała różnica między chmurą a deszczem to więc różnica wielkości, nie ilości wody.

Chmury unoszą się, bo są lżejsze od powietrza.

Chmura jest cięższa od otaczającego powietrza — woda w niej zawarta waży setki ton, a powietrze w chmurze niesie jeszcze dodatkowy ciężar tej wody. Chmura utrzymuje się, bo jej kropelki opadają wolniej, niż wznosi się powietrze pod nimi.

Złudzenie jest tak trwałe, bo mamy dobrą intuicję dla balonów i dymu, a chmura wygląda jak jedno i drugie. Różnica polega na tym, że balon jest workiem lekkiego gazu, a chmura jest zawiesiną ciężkich kropelek — i utrzymuje się nie wypornością, tylko ruchem.

Skala · dwa rysunki do liczb z poprzedniej sekcji

Sześćset razy szybciej

Różnica między kropelką chmurową a kroplą deszczu jest tak duża, że nie mieści się w intuicji — warto ją zobaczyć narysowaną w jednej skali.

Od mgły do ulewyśrednica i prędkość opadania
kropelka mgły kropelka chmurowa mżawka kropla deszczu 4 µm20 µm200 µm2000 µm 0,05 cm/s1 cm/s70 cm/s650 cm/s Kółka narysowane w tej samej skali. Prędkość opadania rośnie znacznie szybciej niż średnica. Sto razy większa średnica → ponad sześćset razy szybsze opadanie. Typowy prąd wstępujący w Cumulusie: 1–5 m/s, czyli 100–500 cm/s. Wszystko po lewej stronie od mżawki nie ma szans opaść — i dlatego chmura wisi.
Granica między „chmurą” a „deszczem” przebiega gdzieś między drugim a trzecim kółkiem: tam prędkość opadania zaczyna wygrywać z prądem wstępującym. Wielkość kropli decyduje o wszystkim; ilość wody w chmurze jest wtórna.

Widać na tym też, dlaczego mgła nie opada. Kropelki mgły są jeszcze drobniejsze niż chmurowe i opadają pięć centymetrów na minutę — czyli wolniej, niż powietrze porusza się w praktycznie każdych warunkach. Mgła nie unosi się w powietrzu; ona po prostu nie zdąża opaść.

Drugi rysunek dotyczy tego, co dzieje się ze szczytem chmury, gdy przekroczy on wysokość zamarzania. To najważniejszy sygnał wizualny w całym rozdziale i wart osobnego obrazka.

Szczyt przed zlodzeniem i pota sama chmura, 15 minut różnicy
congestus — szczyt ostry kropelki wody: twarda krawędź Cumulonimbus — szczyt rozmyty kryształki lodu: miękka, włóknista krawędź
Nic poza szczytem się nie zmieniło — ta sama chmura, ta sama podstawa, ta sama sylwetka. Ale utrata ostrości u góry znaczy, że woda tam zamarzła, a to znaczy, że chmura sięgnęła kilku kilometrów ponad poziom zera i zaczyna produkować opad. Od tej chwili to jest burza.

Ten jeden sygnał jest wart więcej niż cała reszta rozpoznawania w tym rozdziale. Wysokości nie ocenimy, prędkości wzrostu też nie zmierzymy — ale różnicę między twardym a rozmytym brzegiem widać z odległości pięćdziesięciu kilometrów i nie da się jej pomylić.

Z praktyki

Obserwacja jednego popołudnia. W ciepły, chwiejny dzień warto wybrać jedną chmurę około jedenastej i wracać do niej wzrokiem co dwadzieścia minut. Nie zawsze coś z tego wyjdzie — większość humilisów po prostu wyparuje — ale gdy trafimy, obejrzymy pełen ciąg z tego rozdziału na własne oczy. To jedno popołudnie uczy więcej niż cały ten tekst.

Test wierzchołka przed wyjściem w góry. Ostre, kalafiorowe kontury — chmura jeszcze rośnie, jest czas. Miękka, włóknista góra — to już Cumulonimbus i pora schodzić, nawet jeśli jeszcze nie grzmi. W górach ta różnica bywa różnicą między niedogodnością a poważnym kłopotem.

Kowadło na horyzoncie. Widzimy je z bardzo daleka, więc nie oznacza zagrożenia tu i teraz. Warto natomiast zobaczyć, w którą stronę ciągnie się jego ogon i porównać z kierunkiem, w którym chmura się przesuwa. Jeśli burza rośnie i idzie w naszą stronę, mamy zwykle od trzydziestu minut do dwóch godzin.

Słowniczek
Cumulus humilis / mediocris / congestus
Trzy stopnie rozbudowy chmury kłębiastej: szersza niż wyższa, mniej więcej kwadratowa, wyraźnie wyższa niż szersza.
Cumulonimbus (Cb)
Chmura burzowa. Formalnie zaczyna się w momencie zlodzenia wierzchołka.
zlodzenie wierzchołka
Zamiana kropelek w kryształy na szczycie chmury. Widoczna jako zmiana faktury z ostrej na włóknistą; warunek powstawania wyładowań.
kowadło (incus)
Płaskie, rozlane na boki zwieńczenie Cumulonimbusa, zbudowane z lodu. Ślad uderzenia w tropopauzę.
przebicie wierzchołka
Kopuła wypychana ponad płaszczyznę kowadła przez bardzo silny prąd wstępujący. Znak burzy wyjątkowo silnej.
pileus
Gładka czapeczka nad szybko rosnącą wieżą. Oznacza gwałtowne wznoszenie.
komórka burzowa
Pojedyncza jednostka konwekcyjna z własnym prądem wstępującym i zstępującym. Żyje typowo 30–60 minut.
Idź głębiej
Dodatek M — Pełna klasyfikacja WMO: rodzaje, gatunki, odmiany, cechy Dodatek Z — Dlaczego chmury w renderze są tak drogie