7. KONDENSACJA W ATMOSFERZE - CHMURY

Gdyby powietrze było całkowicie oczyszczone, to kondensacja nie nastąpiłaby. Jeśli schłodzić je bardzo mocno, tak, że e/E = 4, to cząsteczki ciekłej wody pojawią się na jonach ujemnych, zawsze obecnych w powietrzu, a na jonach dodatnich - gdy e/E > 6. Takich przesyceń atmosfera nie osiąga, mimo to dochodzi do kondensacji, dzięki obecności aerozolu atmosferycznego, którego cząsteczki działają jak jądra kondensacji (CN - condensation nuclei) przy znacznie niższych przesyceniach. Jądrami tymi są cząsteczki soli morskiej, produkty spalania zawierające kwas siarkowy czy azotowy, pył mineralny lub organiczny, np. pyłki roślinne. Obecność CN jest drugim (poza dostatecznie niską temperaturą: T < Td) niezbędnym warunkiem dla procesu kondensacji. Rozmiary np. soli są rzędu 0,1-1μm, największe osiągają 5 μm, cząsteczki pochodzące ze spalania zwykle są mniejsze. Gdy prężność przekroczy stan nasycenia, kropelki zaczynają się tworzyć na największych jądrach higroskopijnych, a w miarę wzrostu przesycenia uaktywniają się kolejne, coraz mniejsze cząsteczki. Potem skutek usuwania pary wodnej (m.in. ocieplenie powietrza) staje się większy od skutku adiabatycznego ochładzania. Pary zaczyna brakować, a przesycenie osiąga pewne maksimum i nie uaktywniają się już kolejne cząstki. Jądra aktywne stanowią ułamek ich ogólnej liczby: od 100 do kilkuset w 1cm³. Ze wzrostem wysokości liczba CN szybko maleje, maleje też ich rozmiar. Krople powstałe w dolnych warstwach i wyniesione w górę skutkiem konwekcji, stają się jakby dodatkowymi CN dla nowych, istniejących już tu kropelek, zatem proces kondensacji może trwać nadal. Te jądra, które stają się aktywne w tworzeniu się chmur, nazywamy zarodnikami kropelek chmurowych (CCN - cloud condensation nuclei).

1. PRZYCZYNY POWSTAWANIA CHMUR

Chociaż woda występuje w pewnej ilości prawie w całej troposferze, to zwykle nie widzi się jej, gdyż jest w postaci pary. Chmury stanowią najwyraźniejszy dowód istnienia wody w atmosferze. Większość chmur tworzy się wówczas, gdy powietrze wilgotne unoszone jest do góry, gdzie skutkiem rozprężania ulega ochładzaniu. Rozróżnia się cztery procesy (przyczyny) prowadzące do powstawania chmur:

1. Turbulencja mechaniczna (turbulencja tarcia)

2. Konwekcja (turbulencja termiczna)

3. Orograficzne ruchy wstępujące (w górach)

4. Wolne wielkoskalowe ruchy wznoszące (na ciepłym froncie atmosferycznym)

Rys. 6 a-d - Chmury tworzące się w wyniku turbulencji mechanicznej (a), konwekcji (b), ruchów orograficznych (c) i wielkoskalowych ruchów wnoszących (d).

Ad 1. Powietrze w warstwie tarciowej jest wymieszane w wyniku turbulencji i jeśli warstwa jest początkowo w stanie równowagi stałej, to jej dolna część będzie się ogrzewać, a górna ochładzać. W wyniku tego ustali się gradient suchoadiabatyczny, jeśli powietrze pozostanie nienasycone. Zawartość pary wodnej będzie wyrównywana i nieco poniżej warstwy wierzchołka mieszania, powietrze może zostać nasycone i wtedy na pewnej wysokości nad gruntem może wystąpić kondensacja. Wysokość tę nazywamy poziomem kondensacji z wymieszania. Określa on podstawę chmur. Gradient suchoadiabatyczny będziemy obserwowali tylko do podstawy chmur, wyżej temperatura spada zgodnie z gradientem wilgotnoadiabatycznym. Chmury sięgają do podstawy inwersji utworzonej przez turbulencję przy górnej granicy warstwy tarciowej. Są to zwykle początkowo chmury warstwowe Stratus, niekiedy górna ich powierzchnia może ulec pofalowaniu, grubość chmury się zmienia, pojawiają się przerwy (bo chmura tworzy się w obszarze prądów wstępujących, wyparowuje w obszarze prądów zstępujących). Takie chmury mogą pojawić się też pod chmurami deszczowymi. Czerpią one wodę na swoją budowę z parujących kropel deszczu i wody deszczowej (rys. 6-a).

Ad 2. W chwiejnych masach powietrza (ogólnie chłodnych, latem na lądem również lokalnych) rozwijają się prądy konwekcyjne. Ich prędkość wynosi przeciętnie 3-6 m/s, dochodzi do 10, niekiedy 20 m/s. W wyniku adiabatycznego ochładzania powstają chmury konwekcyjne, kłębiaste o budowie pionowej, sięgającej do tropopauzy. Ich rozciągłość pozioma to 15-20 km, przy czym zazwyczaj składają się kilku oddzielnych komórek istniejących około 20-30 minut. Ponieważ w warstwach górnych występują wyłącznie kryształki lodu - wierzchołki tych chmur wykazują strukturę włóknistą (rys. 6-b). Rozwój tych chmur wymaga, aby stratyfikacja powietrza była silnie chwiejna, tj. γ > γ_s, do poziomu kondensacji (H = 1,2 * (T - Td) [hm]), a nad nim γ > γ_w. Warstwy inwersyjne lub małe gradienty hamują rozwój konwekcji, więc gdy chmury dochodzą do tej warstwy (wysokości) ich rozwój ustaje. Ponieważ poziom lodowacenia zwykle występuje na wysokości odpowiadającej temperaturom -8, -12ºC lub mniej, to do tego poziomu chmura zachowuje postać kłębiastą. Wyżej wierzchołek zaczyna się rozciągać, przyjmując postać kowadła (chmura Cirrus).

Przy dużej chwiejności z utajonego ciepła kondensacji mogą wyzwolić się olbrzymie ilości energii i prędkość wznoszenia uniemożliwi opadanie kropel. Gdy ruch ten ustanie, pojawiają się silne opady (przy małej chwiejności - słabe) przelotne, niekiedy w postaci stałej.

Ad 3. Góry stanowią barierę dla swobodnego, poziomego przepływu powietrza. Musi się ono wówczas wznieść do góry, przy czym ochładza się adiabatycznie i para wodna ulega kondensacji (rys. 6-c). Rodzaj chmur utworzonych w wyniku orograficznych ruchów wznoszących zależy m.in. od równowagi pionowej powietrza. W wilgotnym powietrzu przy:

Równowadze chwiejnej - Cumulus (w grubej warstwie - Cb).

Równowadze stałej - Stratus. Tworzy płaty pokrywające wyższe partie wzniesień, a niżej tworzą się przerwy. Od­mianą są chmury faliste po zawietrznej stronie łańcucha. Po wprowadzeniu w ruch wznoszący powietrze poza barierą wolno opada i potem kilkakrotnie wznosi się i opada. Tworzą się tzw. fale stojące, czemu sprzyjają takie warunki, w których bardzo stabilna warstwa leży między warstwą chwiejną przy powierzchni Ziemi a drugą chwiejną - powyżej. Jeśli amplituda zafalowań i wilgotność są dostatecznie duże, to we wznoszącym się powietrzu następuje kondensacja.

Na ogół chmury powstają po stronie dowietrznej, a zanikają po stronie zawietrznej, bo powietrze opada w dół i się ogrzewa. Chmura wydaje się być jakby w bezruchu, ale w rzeczywistości powietrze przez nią stale przepływa. Czasami tworzą się wysoko ponad górą. Orograficzne wznoszenie się warstwy prawie nasyconego powietrza, może spowodować wystąpienie kondensacji nad przeszkodą i utworzenie się trwałej czapy chmurowej. Jest ona zwykle cieńsza na końcach, a szersza i grubsza w środku, przypomina soczewkę.

Ad 4. Jeżeli strefa przejściowa między dwoma masami powietrza porusza się tak, że ciepłe powietrze napływa na miejsce chłodnego (ciepły front atmosferyczny), to nachylenie tej strefy jest łagodne i powietrze ciepłe, lekkie powoli wznosi się po jej powierzchni nad zalegającym jeszcze przy Ziemi powietrzem chłodnym. Kondensacja - o ile powietrze jest dostatecznie wilgotne - następuje najpierw wysoko (w obszarze niskich temperatur), potem coraz niżej i niżej, bo powietrze ochładza się też od powierzchni Ziemi. Tworzą się przeważnie chmury warstwowe - od Ci i Cs, przez As do Ns (niekiedy z St), przynosząc opady (rys. 6-d).

7.2. MIKROSTRUKTURA I WODNOŚĆ CHMUR

Pod względem budowy wyróżnia się chmury:

• wodne (kropelkowe) tworzące się przy temperaturach + lub - ,

• mieszane (kropelki i kryształki), w niewielkich temperaturach ujemnych,

• lodowe (kryształki) powstające w znacznych temperaturach poniżej 0ºC.

Najniżej tworzą się chmury wodne lub mieszane, najwyżej - tam gdzie najzimniej - chmury lodowe. Chmury zbudowane z kropelek wody mogą być silnie przechłodzone; w atmosferze nawet przy temperaturze -20ºC woda nie zawsze zamarza.

Ilość kropelek wody w chmurze jest stosunkowo niska: w 1 cm³ od setek w dolnej troposferze, do kilku w górnej, kryształków lodu jest jeszcze mniej [1]. Nie cała para wodna bierze udział w kondensacji i tworzeniu się chmury. Nawet jeśli chmura istnieje długo, nie oznacza to, że jest niezmienna. Chmury wodne, silnie uwodnione przynoszą opady, chmury lodowe, przeważnie wysokie - nigdy nie dają opadów.

Wodność chmury to zawartość wody w stanie ciekłym lub stałym. Kropelki i kryształki nie zawierają jej dużo: od 0,2 do 5,0 g/m³ w chmurach wodnych, w lodowych - setne bądź tysięczne części grama. Jest to zrozumiałe, gdyż wilgotność bezwzględna wynosi średnio kilka g/m³, (wysoko tylko części grama), a ponieważ nie cała para wodna zawarta w powietrzu, lecz jedynie jej część przechodzi w stan ciekły - dlatego wodność chmur jest jeszcze mniejsza niż wilgotność bezwzględna w ich obszarze. Wypływa z tego oczywisty wniosek, że im wyżej zalega chmura, tym więcej w niej cząsteczek lodu, a mniej przechłodzonej wody, nisko występują przeważnie chmury wodne.

7.3. ZANIKANIE CHMUR

Rozwój chmur zacznie w naturalny sposób słabnąć, gdy tylko którykolwiek z procesów powodujących ich tworzenie przestanie oddziaływać. Inne czynniki mogą również powodować zanikanie kropelek wody i kryształków lodu. Należą do nich: ogrzewanie powietrza, wypadanie opadu z chmury i mieszanie z suchym powietrzem otaczającym.

Chmura może się ogrzewać skutkiem pochłaniania promieniowania słonecznego lub ziemskiego, jednakże oba te wpływy są znikome w porównaniu z ogrzewaniem adiabatycznym. Może ono wystąpić, gdy powietrze, w którym znajduje się chmura jest zmuszone do osiadania. W miarę wzrostu temperatury spada wilgotność względna i powietrze nie może już być nasycone. Cząstki chmur wówczas parują lub sublimują tworząc parę wodną. Nasłonecznienie często prowadzi do rozproszenia chmur utworzonych w wyniku turbulencji. Gdy grunt się ogrzeje i wzrasta temperatura podłoża, podnosi się poziom kondensacji w wyniku mieszania i maleje grubość chmury pod warstwą inwersyjną, a niekiedy całkowicie zanika (wyparowuje). Chmury konwekcyjne powstające nad lądem rano, osiągają maksimum rozwoju we wczesnych godzinach popołudniowych, pod wieczór zanikają, gdy podłoże zaczyna się ochładzać. Powietrze otaczające chmurę często bywa nienasycone. Jeśli dodatkowo wymiesza się ono z powietrzem suchym, to jego wilgotność może zmaleć na tyle, że chmura zacznie parować. Proces mieszania z powietrzem otaczającym wyraźnie wpływa na wysokość podstawy chmur Cu. Dlatego rozmywanie się chmury najwyraźniej widać u jej podstawy, która z upływem czasu konsekwentnie się podnosi, przez co chmura staje się coraz cieńsza.

7.4. KLASYFIKACJA CHMUR

Chmury w atmosferze występują w ogromnej ilości postaci, na różnych wysokościach, ponadto ulegają ciągłym zmianom. Od ich wyglądu zależy pogoda i dlatego od dawna próbowano usystematyzować oraz wyprowadzić pewne prawidłowości. Pierwszą klasyfikację chmur opracował Brytyjczyk Howard w połowie XVIIIw., zaś klasyfikację międzynarodową przyjęto na przełomie XIX i XXw. Ulegała on wielu zmianom, ale już nie zasadniczym. Główne jej kryterium stanowił wygląd zewnętrzny chmur, ściśle powiązany z wysokością, czyli piętrem na jakim leży ich podstawa (gdzie się zaczynają). W pierwszej kolejności wyróżniono cztery podstawowe typy: 1 - chmury pierzaste (Cirrus), 2 - kłębiaste (Cumulus), 3 - warstwowe (Stratus) i 4 - deszczowe (Nimbus). Potem wprowadzono podział na 10 rodzajów, będących kombinacją 4 typów.

Tab. 5. Piętra chmur i ich wysokości w km. Źródło: Międzynarodowy Atlas Chmur).

Piętro	Obszary polarne	Średnie szerokości geograficzne	Obszary tropikalne
Wysokie	3 - 8	5 - 13	6 - 18
Średnie	2 - 4	2 - 7	2 - 8
Niskie	0 - 2	0 - 2	0 - 2

7.5. RODZAJE CHMUR

Klasyfikacja według której wyróżnia się 10 rodzajów chmur obowiązuje od dawna na całym świecie. Jak wcześniej wspomniano są one kombinacją czterech typów, a ich wygląd zależy w głównej mierze od wysokości (piętra) na jakiej występują, co z kolei determinuje ich budowa wewnętrzna. Kierując się dalej wyglądem wyróżniono w każdym rodzaju szereg gatunków i odmian. Nazwy pochodzą od słów łacińskich.

Tab. 6. Rodzaje chmur.

L.p.	Nazwa	Skrót	Opis
1	Cirrus	Ci	Pierzaste
2	Cirrocumulus	Cc	pierzasto-kłębiaste
3	Cirrostratus	Cs	pierzasto-warstwowe
4	Altocumulus	Ac	średnie kłębiaste
5	Altostratus	As	średnie warstwowe
6	Nimbostratus	Ns	warstwowo-deszczowe
7	Stratocumulus	Sc	warstwowo-kłębiaste
8	Stratus	St	Warstwowe
9	Cumulus	Cu	Kłębiaste
10	Cumulonimbus	Cb	kłębiasto-deszczowe (burzowe)

Trzeba jednak pamiętać, że niektóre chmury są obserwowane w kilku piętrach, np. Nimbostratus - przypisany do piętra średniego (bo tam przeważnie początkowo leży jego podstawa) może przy opadach obniżać się i schodzić w piętro niskie. Dla odmiany Cumulonimbus (rzadziej Cumulus) przy silnej równowadze chwiejnej mogą przebijać się przez piętro średnie i sięgać nawet piętra wysokiego.

Rys. 7 - Rodzaje chmur i piętra na jakich występują

Oprócz rodzajów wyróżnia się jeszcze gatunki - oznaczane trzema małymi literami, np. len (lenticularis) - soczewkowate, fra (fractus) - postrzępione, cas (castellanus) - wieżyczkowate oraz odmiany - oznaczane dwoma małymi literami, np.tr (translucidus) - przeświecające, op (opacus) - nieprzeświecające, ra (radiatus) - promieniste. Niektórzy uważają, że klasyfikacja chmur jest fascynująca - polecam zainteresowanym.

Skróty CN i CCN są często spotykane w literaturze zagranicznej, czasem można je naleźć w polskich tłumaczeniach, np. [4].

---