Jak powstaje burza z piorunami

Jak powstaje burza, najłatwiej zrozumieć, obserwując letnie niebo w upalny dzień. Rano pojawiają się na nim niewinne białe obłoki, które po południu potrafią urosnąć w ciemną, kilkunastokilometrową wieżę. Z niej spadają ulewa, czasem grad, a wnętrze rozświetlają pioruny.

Za tym widowiskiem stoi energia słoneczna, para wodna i różnice temperatur w atmosferze. Każda burza przechodzi podobną drogę – od narodzin chmury, przez gwałtowną fazę dojrzałości, aż po rozpad. Poznanie tych etapów pomaga też lepiej ocenić zagrożenie i w porę schować się w bezpiecznym miejscu.

Trzy składniki potrzebne do burzy

Meteorolodzy wskazują trzy warunki, które muszą wystąpić jednocześnie, by mogła rozwinąć się burza. Brak któregokolwiek z nich zwykle kończy się co najwyżej przelotnym deszczem albo pogodnym niebem.

• Wilgoć – dużo pary wodnej w dolnych warstwach powietrza. Gdy para się skrapla, uwalnia ciepło, które napędza dalszy rozwój chmury.
• Chwiejność atmosfery – sytuacja, w której unoszone powietrze pozostaje cieplejsze i lżejsze od otoczenia, więc samo wznosi się coraz wyżej.
• Czynnik unoszący – coś, co wypchnie powietrze do góry, na przykład nagrzane podłoże, zbocze góry albo napierający front chłodnego powietrza.

Latem wszystkie trzy elementy pojawiają się często. Słońce mocno nagrzewa ziemię, od której ogrzewa się przyziemne powietrze, a parująca woda z gleby, roślin i zbiorników dostarcza wilgoci. Dlatego w Polsce sezon burzowy przypada głównie na późną wiosnę i lato, a najwięcej burz rozwija się po południu i wieczorem.

Jak powstaje burza – od cumulusa do cumulonimbusa

Każda chmura burzowa zaczyna się od bąbla ciepłego powietrza, który odrywa się od nagrzanej powierzchni i wędruje w górę. Po drodze rozpręża się i ochładza. Na pewnej wysokości para wodna zaczyna się skraplać i powstaje płaska u podstawy chmura kłębiasta, czyli cumulus.

Faza wzrostu

W pierwszym etapie w chmurze przeważają prądy wstępujące. Skraplająca się para oddaje ciepło, przez co powietrze w chmurze pozostaje cieplejsze od otoczenia i wznosi się dalej. Chmura rośnie w górę jak kalafior, a jej krawędzie są ostre i wyraźne. Na tym etapie zwykle jeszcze nie pada.

Dojrzałość i rozpad

Gdy szczyt chmury sięga wysokości, na której panuje silny mróz, powstają w niej kryształki lodu, krupa śnieżna, a czasem grad. Opady zaczynają spadać i ciągną za sobą chłodne powietrze. Obok prądów wstępujących pojawiają się prądy zstępujące. To najgwałtowniejsza faza: ulewa, porywisty wiatr i najwięcej wyładowań. Wierzchołek chmury rozpłaszcza się wtedy przy górnej granicy troposfery (tropopauzie) i tworzy charakterystyczne „kowadło”. Taka dojrzała chmura to cumulonimbus.

W końcu zimne prądy zstępujące odcinają dopływ ciepłego, wilgotnego powietrza. Chmura traci zasilanie, opady słabną, a pioruny pojawiają się coraz rzadziej. Pojedyncza komórka burzowa żyje zazwyczaj kilkadziesiąt minut. Burze wielokomórkowe i superkomórki mogą jednak trwać znacznie dłużej, bo stale budują nowe prądy wstępujące.

Skąd w chmurze biorą się ładunki elektryczne

Najbardziej zagadkową częścią burzy jest elektryczność. Naukowcy uważają, że główną rolę odgrywają zderzenia drobin lodu w obecności przechłodzonej wody, czyli kropelek, które mimo temperatury poniżej zera pozostają ciekłe.

Gdy cięższe ziarna krupy śnieżnej opadają, a lekkie kryształki lodu są unoszone przez prądy wstępujące, cząstki ocierają się o siebie i wymieniają ładunki. Krupa zazwyczaj gromadzi ładunek ujemny i pozostaje w środkowej oraz dolnej części chmury. Lekkie kryształki, naładowane dodatnio, wędrują ku górze. W efekcie chmura burzowa zaczyna przypominać ogromną baterię: górę ma naładowaną głównie dodatnio, a dolną część głównie ujemnie.

Ujemnie naładowana podstawa chmury wpływa również na powierzchnię ziemi pod nią. Na podłożu, drzewach i budynkach gromadzi się ładunek przeciwnego znaku. Napięcie między chmurą a ziemią albo między różnymi częściami chmury rośnie, aż powietrze przestaje działać jak izolator.

Piorun i grzmot – jak powstaje wyładowanie

Większość wyładowań w ogóle nie dociera do ziemi. Rozgrywa się wewnątrz chmury albo między sąsiednimi chmurami. Najgroźniejsze są jednak pioruny doziemne, które uderzają w teren, drzewa, budynki i ludzi.

Lider i wyładowanie główne

Piorun doziemny zaczyna się od słabo świecącego kanału, zwanego liderem. Przesuwa się on od chmury w dół skokami, rozgałęziając się po drodze. Gdy zbliży się do ziemi, z wysokich obiektów wychodzi mu naprzeciw wyładowanie oddolne. W chwili połączenia przez kanał przepływa ogromny prąd i pojawia się oślepiający błysk, który widzimy jako błyskawicę. Często w tym samym kanale następuje kilka kolejnych wyładowań, przez co piorun wydaje się migotać.

Skąd bierze się grzmot

Powietrze w kanale pioruna nagrzewa się w ułamku sekundy do temperatury rzędu kilkudziesięciu tysięcy stopni, wielokrotnie wyższej niż na powierzchni Słońca. Rozgrzany gaz gwałtownie się rozpręża i wytwarza falę uderzeniową, którą słyszymy jako grzmot. Blisko uderzenia brzmi to jak ostry trzask, z daleka jak przeciągły pomruk, bo dźwięk dociera do nas z różnych odcinków długiego kanału.

Światło biegnie niemal natychmiast, natomiast dźwięk pokonuje w powietrzu około jednego kilometra w trzy sekundy. Liczenie sekund między błyskiem a grzmotem pozwala więc w przybliżeniu ocenić odległość burzy. Na przykład dziewięć sekund oznacza, że wyładowanie nastąpiło mniej więcej trzy kilometry od nas.

Rodzaje burz i zjawiska, które im towarzyszą

Nie każda burza wygląda tak samo. Meteorolodzy dzielą je między innymi według sposobu powstawania i budowy chmur.

• Burze wewnątrzmasowe, nazywane też termicznymi, rozwijają się w upalne dni w jednolitej masie powietrza. Są zwykle krótkie i lokalne.
• Burze frontowe towarzyszą przejściu frontu, najczęściej chłodnego. Mogą tworzyć długie linie komórek burzowych, które przesuwają się przez duży obszar.
• Superkomórki to najgroźniejsze burze z wirującym prądem wstępującym. Mogą dawać duży grad, bardzo silny wiatr, a niekiedy trąby powietrzne.

Silne burze przynoszą również zjawiska groźniejsze od samych piorunów. Grad powstaje, gdy silne prądy wstępujące długo utrzymują bryłki lodu w chmurze, a te obrastają zamarzającymi kroplami przechłodzonej wody. Gwałtowne prądy zstępujące mogą z kolei wywołać porywy wiatru łamiące drzewa. Najbardziej niszczycielską formą są trąby powietrzne. Więcej o nich piszemy w artykule o tornadach.

Po przejściu burzy często pojawia się nagroda dla cierpliwych obserwatorów. Gdy deszcz jeszcze pada, a zza chmur wychodzi niskie Słońce, na niebie może rozbłysnąć łuk barw. O tym, jak powstaje tęcza, piszemy w osobnym tekście.

Jak zachować się podczas burzy

Wiedza o tym, jak powstaje burza, przydaje się w praktyce. Wiele groźnych sytuacji wynika z lekceważenia pierwszych grzmotów albo z przekonania, że burza jest jeszcze daleko. Ogólne zasady bezpieczeństwa są proste.

Na otwartym terenie

• Przy pierwszych grzmotach poszukaj schronienia w budynku lub w samochodzie z metalowym dachem i zamkniętymi oknami.
• Nie chowaj się pod pojedynczymi drzewami ani przy słupach – wyładowanie często trafia w najwyższy obiekt w okolicy.
• Opuść grzbiety gór, szczyty, otwarte łąki i brzegi wody. Wyjdź z wody, jeśli pływasz.
• Odsuń się od metalowych ogrodzeń, rowerów i stelaży namiotu.
• Gdy nie ma się gdzie schować, kucnij ze złączonymi stopami w możliwie niskim miejscu, z dala od innych osób, i nie kładź się na ziemi.

W domu

Budynek z instalacją odgromową daje dobrą ochronę. Warto jednak unikać korzystania z urządzeń podłączonych przewodowo do sieci i odsunąć się od okien. Wyładowanie w pobliżu może wywołać przepięcie w instalacji elektrycznej, dlatego cenną elektronikę lepiej wyłączyć z gniazdek przed nadejściem burzy, a nie w trakcie.

Po ostatnim grzmocie nie spiesz się z wychodzeniem na zewnątrz. Tylna część burzy także może dawać wyładowania. Zwykle zaleca się odczekanie około pół godziny od ostatniego słyszalnego grzmotu. Przed wyjściem w góry lub nad wodę warto zawsze sprawdzić prognozę i ostrzeżenia meteorologiczne.

Najczęściej zadawane pytania

Dlaczego burze zdarzają się głównie latem?

Latem silne nasłonecznienie nagrzewa podłoże, a w powietrzu jest dużo pary wodnej. Ciepłe, wilgotne powietrze łatwo się wznosi i buduje wysokie chmury burzowe. Zimą burze też się zdarzają, ale znacznie rzadziej.

Czy piorun może uderzyć dwa razy w to samo miejsce?

Tak. Wysokie obiekty, takie jak wieże, maszty czy drzewa na wzniesieniach, bywają trafiane wielokrotnie, nawet podczas jednej burzy. Popularne powiedzenie, że piorun nie uderza dwa razy w to samo miejsce, jest mitem.

Jak obliczyć, jak daleko jest burza?

Policz sekundy między błyskiem a grzmotem i podziel wynik przez trzy. Otrzymasz przybliżoną odległość w kilometrach. To jednak tylko orientacyjna metoda, a każdy słyszalny grzmot oznacza, że burza jest blisko.

Czy samochód chroni przed piorunem?

Samochód z zamkniętą metalową karoserią zapewnia dość dobrą ochronę, ponieważ prąd płynie po jego zewnętrznej powłoce. Nie dotyczy to aut z dachem z tkaniny, kabrioletów ani motocykli.

Jak powstaje burza zimą?

Zimowe burze pojawiają się zwykle przy przejściu aktywnego frontu chłodnego, gdy w chłodne powietrze wdziera się wilgotna, nieco cieplejsza masa. Chmury są niższe niż latem, ale mechanizm rozdzielania ładunków jest podobny.