Środowisko

Skąd się bierze deszcz?

Numer 12/2018
MSPT / Shutterstock
Nie lubisz pochmurnej, deszczowej pogody, gdy woda strumieniami leje się z nieba? Polub, bo masz wyjątkowe szczęście: żyjesz na jedynej znanej nam planecie, na której woda znajduje się w nieustannym ruchu od miliardów lat. Paruje, skrapla się, opada, spływa do rzek, jezior i mórz, po czym znowu paruje, skrapla się… i tak w nieskończoność.
Krople deszczu nie wyglądają jak łzy (A). Kiedy są małe, mają kształt okrągły (B), a w miarę wzrostu stają się od spodu najpierw płaskie (C), a potem wklęsłe (D). Kiedy przekroczą rozmiary 5–6 mm, przeważnie zaczynają się rozpadać (E).Wikimedia Commons/Wikipedia Krople deszczu nie wyglądają jak łzy (A). Kiedy są małe, mają kształt okrągły (B), a w miarę wzrostu stają się od spodu najpierw płaskie (C), a potem wklęsłe (D). Kiedy przekroczą rozmiary 5–6 mm, przeważnie zaczynają się rozpadać (E).
Obieg wody w przyrodzie, czyli nieustanne ­parowanie, skraplanie, opadanie i znów parowanie. Po drodze część wody zostaje zmagazynowana w lodowcach i pod ziemią.NoPainNoGain/Shutterstock Obieg wody w przyrodzie, czyli nieustanne ­parowanie, skraplanie, opadanie i znów parowanie. Po drodze część wody zostaje zmagazynowana w lodowcach i pod ziemią.
Najprostszy deszczomierz, czyli stojak z plastikowym pojemnikiem z podziałką mierzącą ilość opadów.manfredx/Shutterstock Najprostszy deszczomierz, czyli stojak z plastikowym pojemnikiem z podziałką mierzącą ilość opadów.

Około 2,7 mld lat temu nieopodal miasteczka Prieska nad wielką rzeką Oranje w RPA spadł deszcz. Nie był zbyt intensywny i trwał dość krótko. Gdzieś w pobliżu musiał dymić wulkan, gdyż krople wody spadły na świeżutki popiół wulkaniczny, pozostawiając w nim zagłębienia podobne do kraterów meteorytowych. Po tym wszystkim wulkan jeszcze raz eksplodował, a wyrzucona przez niego kolejna porcja popiołu przykryła ślady deszczu.

Od tego czasu na Ziemi powstawały i znikały skały, lecz ślady najstarszego deszczu ocalały ukryte we wnętrzu skał wulkanicznych niczym w kapsule czasu. Dopiero niedawno zostały odsłonięte przez erozję i odnalezione przez naukowców. Jeden z nich, fizyk Sanjoy Som z NASA Ames Research Center, zainspirowany odkryciem, przeprowadził dość niezwykły eksperyment. Zmierzył pradawne ślady, a następnie sam bombardował kropelkami wody, które spuszczał z wysokości 30 m, warstwę popiołu wulkanicznego przywiezionego z Islandii. Chciał sprawdzić, czy 2,7 mld lat temu atmosfera była gęstsza niż obecnie. Nie, nie była. Krople pędziły wtedy co najmniej równie szybko jak obecnie i pozostawiały podobne ślady.

Spytacie, po co nam ta wiedza. Aby wyjaśnić jedną z największych zagadek z dziejów naszego globu: dlaczego za młodu, gdy już uformował się i ostygł, nie zamarzł natychmiast na miliardy lat? Teoretycznie powinien, bo młode Słońce świeciło znacznie słabiej niż dziś i dostarczało o jedną trzecią mniej ciepła. Naukowcy różnie tłumaczą ten paradoks, ale do tej pory dominowały dwie hipotezy. Według pierwszej atmosfera ziemska była gęstsza i niczym grubo tkany koc zatrzymywała mnóstwo ciepła. Według drugiej zawierała duże ilości zmieszanych odpowiednio gazów cieplarnianych. Dzięki deszczowi sprzed miliardów lat Sanjoy Som rozprawił się z pierwszą koncepcją. Pozostała druga – Ziemię ogrzały gazy cieplarniane.

Nie wiemy dokładnie, kiedy na Ziemi ruszył cykl hydrologiczny i spadł pierwszy deszcz. Z pewnością zdarzyło się to znacznie wcześniej niż 2,7 mld lat temu. Odkrycia geologiczne pokazują, że już 3,5–4 mld lat temu, a może nawet kilkaset milionów lat wcześniej na Ziemi szumiały oceany, które bez wątpienia parowały. Cząsteczki H2O rozpoczynały swoją podróż w atmosferze, a ich część, która ulegała schłodzeniu, formowała chmury mogące lać deszczem. Ile jednak było tych chmur i jak dużo spadało z nich deszczu, nie wiemy. Według części badaczy ich pokrywa była mniejsza niż dziś, bo w powietrzu krążyło mniej aerozoli – maleńkich drobinek stałej materii, wokół których mogłaby się skraplać para wodna. Bez takich zarodków, zwanych jądrami kondensacji, chmura nie powstanie. W pradawnym powietrzu, owszem, unosiły się maleńkie kryształki soli morskich, ale mogło tam brakować drobin organicznych, a niewielkie lądy (jeśli w ogóle były) dostarczały mało pyłów mineralnych. Na takim globie mogła panować dość słoneczna pogoda. Ale czy tak było, nie wiemy.

Pewne jest natomiast jedno: przemiany i wędrówki cząsteczek H2O mogą się odbywać tylko na względnie ciepłym, ale zarazem niezbyt gorącym globie, na którym średnia temperatura powietrza jest umiarkowanie wyższa od zera. Przykład Wenus, która kiedyś prawdopodobnie miała oceany wody, pokazuje, co się może stać, gdy glob zostanie zanadto rozgrzany. Najpierw cała woda z niego wyparowała, a następnie atmosfera pozbyła się pary wodnej (doszło do jej rozpadu na tlen i wodór pod wpływem promieniowania słonecznego). Tak zapewne stanie się kiedyś na Ziemi, którą Słońce będzie stopniowo coraz silniej rozgrzewało. Ale to bardzo odległa przyszłość. Z kolei przykład drugiego naszego sąsiada, Marsa, pokazuje, że do pełnego cyklu hydrologicznego i pojawienia się deszczu potrzeba czegoś bardzo oczywistego: atmosfery. Czerwony Glob stracił ją w młodości, kiedy osłabło jego pole magnetyczne. Wtedy porwał ją wiatr słoneczny, a resztę wchłonęła sama planeta. Jak widać, aby spadł deszcz, konieczne jest spełnienie wielu warunków – od olbrzymiego gorącego jądra w środku globu generującego osłonę magnetyczną dla atmosfery aż po obecność w tej ostatniej maleńkich jąder kondensacji.

Mikrusy i olbrzymy

Według meteorologów deszcz to opad atmosferyczny składający się z kropel wody o średnicy 0,5 mm lub większej. Mniejsze kropelki są zbyt lekkie i wiatr je łatwo unosi. Nie spadają więc, ale powoli osiadają, igrając z siłą ciążenia. Taki opad nosi nazwę mżawki. Oczywiście w przyrodzie granice nigdy nie są ostre – mżawkę składającą się z większych kropel niewiele dzieli od deszczyku nazywanego popularnie kapuśniaczkiem. Po drugiej stronie skali jest mżawka z tak małych kropelek, powiedzmy, o średnicy 0,1 mm, że trudno ją odróżnić od mgły. A ta ostatnia w gruncie rzeczy jest chmurą, tyle że stykającą się z ziemią. Czasami mgła przechodzi w mżawkę lub na odwrót.

Żeby odrywające się od chmury krople wody zasłużyły na nazwę deszczu, muszą spełnić jeszcze jeden warunek: dotrzeć do powierzchni gruntu. Jeśli po drodze wyparują, wówczas mamy do czynienia z opadem atmosferycznym o nazwie virga (po łacinie „różdżka” lub „gałązka”). Takie smugi niedoszłego deszczu pojawiają się pod chmurami często grupami, tworząc rodzaj zasłony. A wyparowują zazwyczaj dlatego, że po drodze natrafiają na strefę względnie suchego powietrza. Istnieje też virga nie z wody, ale kryształków lodu, które spadają z chmur wysokich do nasączonych wodą chmur niskich, co nierzadko kończy się ulewą.

Jeśli chodzi o maksymalną wielkość kropel deszczu, jedynym ograniczeniem są prawa fizyki. Większość ma średnicę 0,5–4 mm, choć zdarzają się i większe. Jednak te, które urosną powyżej 0,5 cm, zwykle dość szybko rozpadają się podczas lotu w dół. Długo uważano, że przyczyną tego są kolizje pomiędzy nimi, ale według nowych obserwacji to powietrze wywiera nacisk na przerośniętą kroplę, deformuje ją i w końcu sprawia, że rozlatuje się ona na kawałki. Od tej reguły zdarzają się wyjątki. W latach 90. XX w. w północnej Brazylii, a także na pacyficznym atolu Kwajalein, należącym do Wysp Marshalla, naukowcy zaobserwowali krople o średnicy ok. 9 mm. Eksperymenty laboratoryjne potwierdzają taką możliwość.

Wbrew dość powszechnemu przekonaniu krople deszczu wcale nie przypominają kształtem łzy. Te najmniejsze są po prostu okrągłe, a w miarę wzrostu stają się płaskie od dołu i wypukłe od góry. W końcu zaczynają wyglądać jak spadochron albo worek szeroko otwarty od dołu. To ostatnia faza przed ich rozpadem, chyba że wcześniej zdążą wylądować na ziemi.

Krople deszczowe są olbrzymami w porównaniu z kropelkami tworzącymi chmury. Te drugie mają najczęściej średnicę ok. 0,01 mm (10 µm). Jak te mikrusy zmieniają się w deszcz? Przypomnijmy, że kropelka chmurowa tworzy się wokół malutkiego jądra kondensacji (często jego rozmiary nie przekraczają 1 µm). W każdym decymetrze sześciennym chmury mogą się znajdować miliony takich kuleczek. Wtedy zaczynają się ze sobą zlewać (proces ten naukowcy nazywają koalescencją). Co jednak ciekawe, kropelki chmurowe wcale nie łączą się chętnie. Dopiero turbulencja i inne gwałtowniejsze ruchy powietrza zachodzące w chmurze wymuszają ich kolizje, a w ślad za tym – łączenie. Krople chmurowe zlewają się, aż w końcu osiągają średnicę 0,1 mm (100 µm). Po przekroczeniu tej granicy stają się kroplami deszczu, wciąż małymi i lekkimi, ale już opadającymi – z prędkością kilkudziesięciu centymetrów na sekundę. Koalescencja trwa jednak dalej, prowadząc do uformowania się „olbrzymów” o średnicy kilku milimetrów. Te pędzą ku ziemi z szybkością kilku metrów na sekundę. Nic dziwnego: masa typowej kropli deszczu jest milion razy większa od masy kropli chmurowej!

Twórcy chmur

W rzeczywistości proces powstawania deszczu jest jeszcze bardziej złożony i zależy od takich czynników jak rozmiary i rodzaj jąder kondensacji, siły prądów wznoszących w chmurze czy też obecność kryształków lodu. Te ostatnie karmią się kropelkami wody – wysysają wilgoć niczym wampiry krew. Dzięki temu rosną i rosną, aż w końcu stają się ciężkie i spadają, a jeśli blisko ziemi jest ciepło, topnieją po drodze, zmieniając się w wielkie krople deszczu.

Właśnie to ostatnie zjawisko wykorzystali inicjatorzy pierwszych naukowych prób manipulowania pogodą: Vincent Schaefer oraz Bernard Vonnegut, brat słynnego pisarza Kurta Vonneguta. W 1946 r. odkryli oni, że małe kryształy zmrożonego dwutlenku węgla („suchy lód”), a także kryształki jodku srebra (AgI) budową przypominają kryształki lodu. Opracowali więc metodę ich wytwarzania i uznali, że znaleźli sposób na wywoływanie opadów atmosferycznych. Rok później Schaefer i Vonnegut po raz pierwszy zasiali jodkiem srebra prawdziwe chmury. Rzeczywiście, niedługo potem lunął z nich deszcz. W światku fizyków chmur zapanowała euforia: oto człowiek zapanował nad chmurami i deszczem.

Od tego czasu przeprowadzono na świecie setki eksperymentów z modyfikowaniem pogody, głównie polegających na wywoływaniu deszczu. Dziś robi się to w ponad 50 państwach. Indie, Chiny, Indonezja, Australia, Tajlandia i inne kraje strefy monsunowej próbują w ten sposób sprowokować większe opady w suchych sezonach. Chiny rozstawiają w Tybecie tysiące instalacji do emitowania jodku srebra w nadziei, że w ten sposób wycisną z atmosfery więcej wody potrzebnej rolnictwu.

Równocześnie od siedmiu dekad trwa dyskusja nad skutecznością tej metody. Chodzi o to, że trudno jednoznacznie rozstrzygnąć, jak zachowałaby się ta sama chmura, gdyby ją pozostawić w spokoju. Czy rzeczywiście spadłoby z niej mniej deszczu, a jeśli tak, to o ile? Nawet jednak ci bardziej sceptyczni badacze kontynuują eksperymenty, korzystając z silniejszych komputerów, nowszych satelitów oraz radarów dopplerowskich obserwujących chmurę w trzech wymiarach i rozróżniających różne rodzaje opadu. Jeden z takich testów trwa od dekady w amerykańskim stanie Wyoming. Każdej zimy próbuje się tam zwiększyć opady śniegu w Górach Skalistych, aby na wiosnę było więcej wody pitnej. Wygląda na to, że to działa, choć efekty nie są szalone – tam, gdzie chmury potraktowano jodkiem srebra, opady śniegu wzrosły przeciętnie o 10%.

Dwadzieścia sześć metrów deszczu

Te miejscami dość rozpaczliwe próby ingerowania w naturę biorą się stąd, że bardzo nierówno obdziela ona deszczem różne obszary Ziemi. W przypadku lądów średnia roczna suma opadów deszczu wynosi 700 mm (na metr kwadratowy gruntu spada przeciętnie 700 l wody). Ale to tylko statystyka. Na planecie są bowiem zarówno takie regiony, które rzadko doświadczają deszczu, jak i takie, gdzie leje niemal bez przerwy.

Na przedpolu Himalajów znajduje się np. indyjski stan Meghalaya i miejscowość Czerapuńdżi dzierżąca podwójny rekord: maksymalnej sumy opadów w ciągu 12 kolejnych miesięcy (26 461 mm) oraz maksymalnej sumy opadów w jednym miesiącu (9300 mm). To właśnie Czerapuńdżi, ze średnią roczną sumą opadów wynoszącą 11 430 mm, uchodziła przez długi czas za najwilgotniejsze miejsce na Ziemi. Okazuje się jednak, że jeszcze więcej deszczu spada w odległej o kilkanaście kilometrów wiosce Mawsynram (11 872 mm). Dodajmy jednak, że zdaniem Kolumbijczyków rekord należy do ich miejscowości Lloró, leżącej w części Kordylierów sąsiadującej z Pacyfikiem. Na dowód pokazują dane pomiarowe wskazujące, że roczna suma opadów wynosi tam 13 300 mm. Może nie rekordowe, ale także bardzo wilgotne są niektóre miejsca na Hawajach ze średnimi sumami opadów w granicach 10 000 mm. Rekord należy do góry Wai‘ale‘ale na wyspie Kaua‘i. W 1982 r. spadło tam 17 340 mm deszczu (dla porównania średnia roczna dla Polski to ok. 600 mm).

Wszystkie te wilgotne miejsca mają jedną wspólną cechę. Są położone w górach sąsiadujących z gorącym morzem, znad którego przybywają chmury brzemienne w deszcz. Tak jest również w przypadku Mount Bellenden Ker, do której należy rekord Australii (średnia roczna to 8053 mm). Góra ta wznosi się kilkanaście kilometrów na zachód od wybrzeża tropikalnego Pacyfiku. Wszędzie na świecie góry tworzą barierę dla chmur i deszczów. Nadciągające znad morza wilgotne powietrze, aby pokonać wznoszącą się na wiele kilometrów barierę, unosi się i rozpręża, a rozprężając, ochładza, i w efekcie może pomieścić mniej pary wodnej. Ta skrapla się i formuje chmury, z których spada mnóstwo deszczu. Takie opady nazywane są orograficznymi.

Podczas gdy po jednej stronie gór leje, po drugiej jest sucho. Im wyższy masyw, tym trudniejszą stanowi przeszkodę do przebycia dla wilgotnych mas powietrza. Bywa, że podczas gdy po nawietrznej stronie leje tygodniami, po zawietrznej nie uświadczysz w tym czasie ani jednej chmurki. Ta druga znalazła się w cieniu deszczowym. Wiele jest krain na Ziemi, które objął taki cień: pustynie Meksyku, Arizony, Kalifornii i Nevady, sucha jak pieprz Patagonia w południowej Argentynie, depresja Morza Martwego. W takim cieniu znajduje się też Wyżyna Tybetańska, którą Chińczycy próbują teraz zamienić w wilgotną krainę za pomocą jodku srebra.

Miasto w strugach deszczu

Człowiek może też w inny, mniej brutalny sposób ingerować w pogodę. Rozgrzewające się w ciągu dnia miasta przyczyniają się do powstania lokalnych niżów barycznych, które zasysają wilgotniejsze powietrze z okolicy. W efekcie nad takimi aglomeracjami łatwiej formują się chmury deszczowe, wędrujące następnie z wiatrem. Dlatego po zawietrznej stronie „miejskich wysp ciepła” spada zwykle więcej deszczu niż po stronie nawietrznej. W przypadku amerykańskich miast Atlanta i Dallas różnica ta wynosi 30–40%. Tak wynika z obserwacji przeprowadzonych przez satelitę TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), który od 1997 do 2015 r. jako jedyny mierzył z orbity opady w cieplejszych rejonach globu (od równika po szerokość geograficzną 45˚).

Wystrzelenie TRMM było przełomem w obserwacji opadów. Sonda, zbudowana wspólnie przez USA i Japonię, posiadała dwa radiometry i radar meteorologiczny. Dzięki temu mogła obserwować Ziemię niezależnie od pogody. Zliczała nawet wyładowania atmosferyczne. W ten sposób po raz pierwszy ustaliliśmy, gdzie dokładnie pada nad oceanami oraz w miejscach o małej liczbie naziemnych stacji meteorologicznych. Poza zasięgiem sondy znajdowały się wyższe szerokości geograficzne, włącznie ze strefą polarną. Nie miało to jednak większego znaczenia dla śledzenia zjawisk w skali globu, jako że cztery piąte deszczu na Ziemi spada w strefie międzyzwrotnikowej.

Sonda TRMM spłonęła w 2015 r. w atmosferze ziemskiej, ale już wtedy miała następczynię. Jest nią wystrzelona w 2014 r. GPM (Global Precipitation Measurement), wyposażona w działający na dwóch częstotliwościach radar, w którego zasięgu znajdują się też wyższe szerokości geograficzne, w tym Polska. Ciekawostką jest to, że obserwacje deszczu wykonywane przez GPM można śledzić niemal na bieżąco w internecie. Wizualizacje są prezentowane na stronie stworzonej wspólnie przez NASA, Google i firmę Cesium (https://pmm.nasa.gov/data-access/global-viewer). Od czasu, gdy nasi przodkowie palili mech, posypywali wodą kamienie albo umieszczali figurki świętych w naczyniach z wodą, aby sprowadzić deszcz, sporo się zmieniło. Dziś mamy radary pogodowe i flotylle satelitów meteorologicznych, no i oczywiście jodek srebra.

Andrzej Hołdys
dziennikarz popularyzujący nauki o Ziemi, współpracownik „Wiedzy i Życia”

***

Deszcze w Polsce (wg IMGW)

Średnia roczna suma opadów: 623,7 mm (lata 1961–2009); najwięcej opadów notuje się w regionie karpackim, najmniej – na Niżu Środkowopolskim i Polesiu

Najwyższa roczna suma opadów: 2770 mm – Dolina Pięciu Stawów, 2001 r.

Najniższa roczna suma opadów: 275 mm – Poznań, 1982 r.

Najwyższa dobowa suma opadów: 300 mm – Hala Gąsienicowa (Tatry), 30.06.1973 r.

***

Deszcze o największej intensywności:

35,3 mm w ciągu 2 min – Szychowice k. Hrubieszowa, 13.06.1956 r.

80 mm w ciągu 10 min – Ryczów k. Zawiercia, 19.06.1956 r.

ok. 180 mm w ciągu 1 godz. – Sułoszowa k. Olkusza, 18.05.1996 r.

220 mm w ciągu 3 godz. – Palędzie k. Poznania, 6.06.1988 r.

***

Jak się mierzy deszcz?

Oczywiście deszczomierzem, który w wersji podstawowej jest dość prostym instrumentem. To naczynie z otworem na górze ustawiane na wysokości 1 m. Deszcz wpada do niego niczym do dużego lejka, skąd trafia do wyskalowanego zbiorniczka. W jeszcze prostszych wersjach deszczometrów obserwator sam przelewa wodę do menzurki. Ale opracowano też bardziej skomplikowane instrumenty dokonujące pomiarów automatycznie i przesyłające wyniki łączami bezprzewodowymi. Te zaawansowane technicznie urządzenia nazywa się zwykle pluwiografami. Istnieją wreszcie deszczomierze wyposażone w mierniki laserowe lub czujniki akustyczne (hydrofony), potrafiące zarejestrować pojedyncze krople deszczu i w ten sposób precyzyjnie określić charakter deszczu w konkretnym miejscu – czas jego trwania, intensywność, wielkość kropel, ich prędkość itd. One zwane są disdrometrami.

Wysokość opadu wyraża się wysokością słupa wody podaną zazwyczaj w mm (także w cm). 1 mm deszczu to 1 l wody, który spadł na 1 m2 powierzchni.

Deszcz lekki to opad nie większy niż 2–2,5 mm na godz., opady ulewne zaczynają się od 10 mm na godz., a nawalne – od 20–25 mm. Z punktu widzenia zagrożenia powodziowego najgorsze są opady ciągłe, trwające powyżej doby, czasem wiele dni. Wtedy istotniejsze staje się, ile wody spada nie w ciągu godziny, ale w ciągu doby. Opad powyżej 30 mm na dobę może już doprowadzić do lokalnych podtopień. Opad powyżej 90 mm na dobę to zapowiedź kataklizmu pogodowego.

01.12.2018 Numer 12/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną