Jak powstaje grad i gradobicie podczas burzy

W jakiej chmurze powstaje grad?

Grad nie powstaje w zwykłych chmurach deszczowych. Żeby się narodził, potrzebna jest potężna burzowa chmura, którą napędza silne nagrzewanie podłoża w ciepłe, letnie dni. Gdy słońce mocno grzeje powierzchnię ziemi, wilgotne powietrze zaczyna gwałtownie unosić się ku górze. Ta konwekcja termiczna uruchamia rozwój chmur o pionowej budowie.

Wznosząca się wilgoć się skrapla i tworzy chmurę kłębiastą deszczową, czyli Cumulonimbus (więcej o niej w przeglądzie rodzajów chmur). W sprzyjających warunkach jej wierzchołek sięga kilkunastu kilometrów, przebijając kolejne warstwy troposfery. W górnych partiach chmury panuje mróz sięgający kilkudziesięciu stopni poniżej zera. Na granicy troposfery dalszy wzrost zatrzymuje stabilna warstwa stratosfery, więc szczyt chmury rozlewa się na boki. Powstaje wtedy kowadło burzowe (incus), zapowiedź nadchodzącej nawałnicy.

Wewnątrz dojrzałej komórki burzowej ścierają się dwa przeciwstawne mechanizmy. Główną rolę grają prądy wstępujące, które zasysają ciepłe powietrze z prędkością kilkudziesięciu kilometrów na godzinę, a w gwałtownych superkomórkach wielokrotnie szybciej. Taki pęd powietrza działa jak dmuchawa i utrzymuje kule lodu na dużych wysokościach. Gdy obok rozwiną się chłodne prądy zstępujące, wywołane parowaniem i ciężarem opadów, w chmurze powstaje obieg, w którym lodowe bryły mogą długo krążyć wokół rdzenia prądu wstępującego.

Jak powstaje grad krok po kroku?

Pojedyncza bryła lodu rodzi się w strefie ujemnych temperatur, przy odpowiednim splocie warunków mikrofizycznych. Wszystko zaczyna się od mikroskopijnych zarodków, czyli aerozoli atmosferycznych, takich jak drobinki pyłu mineralnego czy popiołu. Gdy para wodna dociera na wysokość kilku kilometrów, skrapla się wokół tych cząstek i tworzy krople wody. Część z nich, w kontakcie z jądrami zamarzania lub drobinami lodu w zimnych partiach cumulonimbusa, od razu zamarza i staje się zalążkiem lodowej grudki.

Takie zalążki trafiają w strefę silnych turbulencji. Prąd wstępujący wynosi je w najwyższe, mroźne rejony chmury, a w strefach słabszego ciągu bryłki opadają w niższe, cieplejsze warstwy albo przesuwają się w poprzek prądu wstępującego. Podczas tych wędrówek grudki lodu zderzają się z przechłodzonymi kroplami wody, które na nich zamarzają. Gdy woda zamarza natychmiast, w lodzie zostają pęcherzyki powietrza i warstwa jest mleczna. Gdy zamarza powoli, powietrze uchodzi i lód jest przezroczysty. Gradzina rośnie więc warstwa po warstwie, a w przekroju przypomina cebulę, w której naprzemiennie odkładają się powłoki przezroczystego i matowego lodu, zależnie od temperatury i ilości wody w tych częściach chmury, przez które przeszła.

Cykl trwa dopóty, dopóki wznoszące się powietrze utrzymuje rosnącą masę. W pewnym momencie gradzina robi się za ciężka, a prąd wstępujący nie równoważy już siły ciężkości. Bryła wypada ze strefy nośnej chmury i spada ku ziemi.

Dlaczego gradzina musi spaść na ziemię

Utrzymanie bryły lodu w powietrzu to ciągła walka z grawitacją. Dopóki pionowy pęd powietrza przewyższa ciężar bryłki, pozostaje ona w chmurze. Spadek zaczyna się, gdy masa gradziny jest zbyt duża w stosunku do siły nośnej prądu wstępującego, gdy sam prąd wstępujący słabnie albo gdy lodowa kula zostanie wyrzucona poza główny rdzeń wznoszący.

Podczas opadania na gradzinę działają dwie przeciwne siły: grawitacja ściąga ją w dół, a opór powietrza hamuje ruch. Im szybciej bryła spada, tym bardziej rośnie opór aerodynamiczny. W końcu obie siły się równoważą i gradzina przestaje przyspieszać. Od tej chwili porusza się z tak zwaną prędkością graniczną, ruchem jednostajnym, aż do uderzenia w grunt.

O wartości tej prędkości decydują rozmiar, kształt i gęstość gradziny. Według amerykańskiego National Severe Storms Laboratory gradziny o średnicy poniżej 2,5 cm spadają z prędkością ok. 14-40 km/h, bryły 5-10 cm z prędkością ok. 71-116 km/h, a największe, ponad 10-centymetrowe, mogą przekraczać 160 km/h. Gładkie, zwarte kule stawiają mniejszy opór, więc osiągają większe prędkości niż bryły nieregularne i porowate. Ma znaczenie także wysokość, z jakiej zaczyna się spadek. W wyższych partiach troposfery powietrze jest dużo rzadsze, więc słabiej hamuje. Żeby utrzymać lodowe bryły w takim środowisku, chmura potrzebuje znacznie silniejszych prądów wstępujących niż na niższych pułapach.

Dlaczego grad bywa wielki

Zwykłe komórki burzowe rzadko dają opad lodu o niszczycielskich rozmiarach. Prawdziwe giganty rodzą się dopiero w superkomórkach burzowych, w których prądy wstępujące są wyjątkowo stabilne i silne. Zamiast chaotycznych, krótkich zrywów powstaje tam trwały, rotujący strumień wznoszący. Taki ciąg potrafi bardzo długo podtrzymywać rosnące bryły lodu w strefie pełnej przechłodzonych kropel wody i nie pozwala im przedwcześnie wypaść z chmury.

Dzięki długiemu krążeniu w silnym prądzie wstępującym lodowa bryła stale powiększa swoją objętość. W ekstremalnych warunkach prowadzi to do powstania rekordowych okazów. Największa gradzina zebrana w Stanach Zjednoczonych spadła w 2010 roku w Vivian w Dakocie Południowej: miała 8 cali (ok. 20 cm) średnicy, 18,62 cala (ok. 47 cm) obwodu i ważyła 1 funt 15 uncji, czyli ok. 0,88 kg. Utrzymanie tak ciężkich brył w powietrzu wymaga prądów wznoszących o skrajnej sile, które występują niemal wyłącznie w superkomórkach, tych samych, z których schodzą najsilniejsze tornada.

Od czego zależy siła uderzenia gradu?

Zniszczenia po gradobiciu nie wynikają z samej obecności lodu, tylko z energii kinetycznej, którą bryły oddają w ułamku sekundy przy zderzeniu z przeszkodą. W modelach fizycznych energia uderzenia gradziny rośnie mniej więcej z czwartą potęgą jej średnicy. Dlatego nawet niewielki przyrost rozmiaru lodowej kuli bardzo mocno zwiększa jej niszczycielską siłę.

Na siłę uderzenia wpływają masa bryły i jej prędkość końcowa. Większa gradzina spada szybciej, bo jej ciężar rośnie szybciej niż powierzchnia, na którą działa opór powietrza. Do tego dochodzą lokalne ruchy powietrza: prąd wstępujący może wyhamować opadające bryły, a gwałtowny prąd zstępujący pcha je ku ziemi znacznie szybciej, niż wynikałoby to z samego swobodnego spadku.

Prawdziwa aerodynamika rzadko jednak odpowiada idealnym kulom. W meteorologii rozmiar gradziny określa się po jej najdłuższym wymiarze, ale w naturze bryły często mają nieregularne wypustki, spłaszczenia albo chropowatą strukturę. Taki kształt zwiększa opór powietrza, więc obniża prędkość opadania i energię uderzenia w porównaniu z gładką bryłą o tej samej masie.

Jakie szkody wyrządza gradobicie?

Skala zniszczeń zależy bezpośrednio od rozmiaru spadających brył lodu. W kilka minut opad potrafi zniszczyć uprawy i drzewostan, choć nie każda komórka burzowa niesie bryły o groźnych rozmiarach.

• Grad o średnicy do 1 cm zazwyczaj nie uszkadza infrastruktury ani nie rani ludzi, powoduje jedynie chwilowy dyskomfort na otwartej przestrzeni.
• Grad o wielkości 2-3 cm niszczy uprawy rolne, dziurawi liście i strąca zawiązki owoców w sadach, a także może uszkadzać delikatniejsze elementy karoserii lub szklarni.
• Grad o średnicy 7 cm i więcej rozbija szyby, wgniata blachę samochodową, niszczy pokrycia dachowe i stanowi bezpośrednie, śmiertelne zagrożenie dla ludzi i zwierząt.

Uderzenie gradu to nagły impuls mechaniczny, ale jego skutki dla całego ekosystemu utrzymują się miesiącami. Uszkodzona roślinność ogranicza bazę pokarmową owadów zapylających, a mniej nasion i owoców uderza w lokalne populacje ptaków i drobnych ssaków. Zniszczenia rzadko rozkładają się równomiernie. Opad często tworzy wąskie, plamiste pasy, w których jedne stoki czy doliny ulegają całkowitej dewastacji, a sąsiednie tereny zostają nietknięte.

Co gradobicie robi z roślinami

Uderzenia lodowych brył od razu niszczą tkanki roślinne. Poszarpane, podziurawione lub zerwane liście tracą powierzchnię asymilacyjną. Roślina wytwarza wtedy znacznie mniej związków organicznych, co hamuje jej wzrost, osłabia zdolność do regeneracji i uniemożliwia zgromadzenie zapasów na chłodniejsze miesiące. Szczególnie dotkliwe bywają uszkodzenia pędów pod koniec lata, bo rany opóźniają drewnienie tkanek przed pierwszymi przymrozkami.

Zniszczone kwiaty, pąki i zawiązki nasion ograniczają sukces reprodukcyjny całych zbiorowisk. W lasach, na łąkach czy w zaroślach oznacza to mniejszy samosiew i słabsze odnowienie runi. Połamane łodygi i popękana kora stają się na dodatek otwartą bramą dla patogenów grzybowych i bakteryjnych. Wilgoć, która towarzyszy nawałnicy, sprzyja infekcjom i gniciu, więc często giną nawet te okazy, które przetrwały same uderzenia.

Zdziesiątkowana roślinność przestaje też chronić glebę. Ogołocone z liści korony drzew i zniszczona ruń odsłaniają podłoże, a to podczas ulewnych opadów przyspiesza erozję wodną. Pojedyncze, umiarkowane gradobicie potrafi rozluźnić zwarcie drzewostanu, doświetlić dno lasu i dać szansę gatunkom pionierskim. Częste i bardzo intensywne nawałnice destabilizują jednak ekosystem i prowadzą do jego powolnej degradacji.

Kiedy w Polsce występują burze gradowe?

W polskim klimacie opady gradu mają wyraźnie sezonowy charakter, bo zależą od ilości energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi. Sezon burz gradowych trwa u nas zazwyczaj od maja do września. W tym czasie silnie nagrzane podłoże powoduje duże różnice temperatur między warstwami przyziemnymi a wyższymi partiami troposfery, a to napędza gwałtowny ruch pionowy wilgotnego powietrza.

Najwięcej takich zjawisk przypada na czerwiec, lipiec i sierpień. Właśnie wtedy nad Polskę najczęściej napływają gorące, niestabilne masy powietrza zwrotnikowego, które w zderzeniu z chłodniejszymi frontami tworzą warunki do powstawania potężnych komórek konwekcyjnych. W szczycie lata burze z gradem niosą największe ryzyko gwałtownych zjawisk, w tym opadów brył o niszczycielskich rozmiarach.

Podstawą ochrony przed nagłą nawałnicą jest śledzenie bieżącej sytuacji meteorologicznej. Ostrzeżenia meteorologiczne IMGW-PIB pozwalają przygotować się na załamanie pogody z wielogodzinnym wyprzedzeniem. Żeby ocenić zagrożenie w czasie rzeczywistym, dobrze jest sprawdzać dane radarowe i satelitarne. Mapy pokazują rdzenie opadowe chmur burzowych, ich natężenie i kierunek przemieszczania się, więc zostaje czas na zabezpieczenie mienia.

Czym grad różni się od deszczu i śniegu?

Grad, deszcz i śnieg to opady składające się z wody, ale powstają w zupełnie innych warunkach termicznych i chmurowych. Grad to opad stały, który rodzi się wyłącznie w wypiętrzonych chmurach burzowych, głównie w ciepłej porze roku. Śnieg rozwija się zwykle w chłodnych miesiącach w chmurach warstwowych deszczowych, takich jak nimbostratus, gdy w niemal całym profilu powietrza panują ujemne temperatury.

Główna różnica tkwi w strukturze cząstek lodu i sposobie ich powstawania. Śnieg krystalizuje bezpośrednio z pary wodnej w procesie resublimacji i tworzy płaskie, symetryczne, sześciokątne kryształy. Najbardziej rozbudowane płatki formują się w atmosferze przy temperaturach od około -10°C do -20°C. Gradziny nie są kryształami, lecz zbitymi bryłkami lodu, które narastają przez zamarzanie przechłodzonych kropel cieczy. Krople deszczu natomiast rzadko przekraczają około 6 mm, bo większe rozpadają się pod wpływem oporu powietrza.

Spora część letniego deszczu w naszej strefie klimatycznej zaczyna się wysoko w chmurze jako kryształki lodu lub śnieg. Opadając ku ziemi, przechodzą przez strefę dodatnich temperatur, topnieją i docierają do gruntu jako zwykłe krople. Grad opada przez tę samą ciepłą warstwę, ale przy dużej masie i dużej prędkości spadku nie zdąży stopnieć, więc uderza o podłoże jako twardy lód, nawet w upalny dzień.

Dlaczego gradowi towarzyszą pioruny i silny wiatr?

Gwałtowne opady lodu rzadko występują samotnie. Towarzyszą im błyskawice i porywisty wiatr, a wszystkie te zjawiska biorą się z tych samych procesów zachodzących wewnątrz wypiętrzonej chmury. Ciągłe zderzenia kropel wody, kryształków lodu i ziaren gradu rozdzielają ładunki elektryczne. Lżejsze kryształki lodu unoszą ładunek dodatni w górne partie chmury, a cięższe krupy i gradziny gromadzą ładunek ujemny w jej środkowej i dolnej części. Rosnąca różnica potencjałów w końcu przełamuje opór powietrza i następuje wyładowanie atmosferyczne, czyli piorun. Cały ten proces opisujemy dokładniej w artykule o tym, jak powstaje burza.

Kanał pioruna rozgrzewa się do około 30 000°C. Taki skok temperatury powoduje natychmiastową ekspansję powietrza i falę uderzeniową, którą słyszymy jako grzmot. Światło porusza się znacznie szybciej niż dźwięk, więc odległość do wyładowania łatwo oszacować: opóźnienie grzmotu o 3 s oznacza około 1 km od miejsca uderzenia.

Opadający deszcz i grad ciągną za sobą schłodzone powietrze i tworzą silny prąd zstępujący. Po zderzeniu z gruntem strumień rozlewa się na boki i formuje front szkwałowy z niszczycielskimi porywami wiatru, opisany w artykule o szkwale. Szczególnie groźny bywa mikroburst, czyli skoncentrowany, bardzo silny podmuch opadający. Z powodu nagłych uskoków wiatru przy lądowaniu i starcie stanowi on śmiertelne zagrożenie dla lotnictwa.

Chłodne powietrze rozlane przy ziemi przesądza zarazem o losie samej burzy. Tworzy barierę termiczną, która odcina dopływ nagrzanego, wilgotnego powietrza z podłoża do wnętrza komórki. Chmura traci paliwo i stopniowo wygasa.

Jak zachować się podczas gradobicia?

Gwałtowny grad zagraża zdrowiu i życiu, dlatego pierwsza zasada brzmi: od razu szukać solidnej osłony. Zwykły parasol nie chroni przed ciężkimi bryłami lodu, a wychodzenie z nim na zewnątrz może skończyć się poważnymi urazami. Najbezpieczniejszy jest murowany budynek z instalacją odgromową, która w razie wyładowania odprowadza ładunek do ziemi. Jeśli nawałnica zaskoczy nas w trasie, schronieniem może być zamknięty samochód z metalowym nadwoziem, który działa jak klatka Faradaya. W aucie trzeba zatrzymać się z dala od drzew i unikać dotykania metalowych elementów konstrukcji.

Przed nawałnicą warto zabezpieczyć otoczenie domu. Z balkonów, tarasów i parapetów należy usunąć wolnostojące przedmioty, takie jak donice czy meble ogrodowe, bo porywisty wiatr zamieni je w niebezpieczne pociski. Samochód dobrze wcześniej przeparkować do garażu albo pod zadaszenie.

Najtrudniej, gdy burza z gradem zaskoczy człowieka na otwartej przestrzeni. Wtedy trzeba trzymać się kilku zasad bezpieczeństwa:

• Odsunąć się od samotnych, wysokich drzew i masztów, które przyciągają wyładowania atmosferyczne, a także od metalowych ogrodzeń i zbiorników wodnych, które przewodzą prąd i przenoszą energię wyładowania na dużą odległość.
• Przyjąć pozycję kuczną ze złączonymi stopami i podciągniętymi kolanami w obniżeniu terenu, bez siadania i kładzenia się, co zmniejsza ryzyko porażenia napięciem krokowym, które powstaje, gdy prąd rozchodzi się w gruncie.
• Rozproszyć się, jeśli wędrujemy w grupie, na odległość kilkudziesięciu metrów. Wtedy w razie uderzenia pioruna ładunek nie przeniesie się na pozostałych i będzie można od razu pomóc poszkodowanym.
• Chronić głowę plecakiem, torbą lub rękami przed bezpośrednimi uderzeniami gradzin.

Gdy burza zbliża się błyskawicznie, liczy się natychmiastowa reakcja. Na odsłoniętym terenie tylko ona i postawa zmniejszająca pole rażenia chronią przed tragicznym wypadkiem.