Chmura waży około 500 ton i stale opada. Powietrze w niej wznosi się szybciej

Pięćset ton wody. Tyle waży, według jednego z oszacowań, kilometr sześcienny zwykłej chmury kłębiastej. Cała ta woda stale opada, a jednak nie spada nam na głowę, dopóki krople nie urosną na tyle, żeby prześcignąć powietrze wznoszące się razem z nimi.^[1]

Skąd się bierze pięćset ton

Oszacowanie opiera się na dwóch liczbach: ile wody mieści metr sześcienny chmury i jak wielka jest sama chmura. Przy gęstości około pół grama na metr sześcienny kilometr sześcienny zawiera pół miliona kilogramów wody. Inaczej mówiąc, dwadzieścia przydomowych basenów ogrodowych albo sto słoni.

Ta liczba robi wrażenie tylko do chwili, gdy zestawić ją z powietrzem. Kilometr sześcienny powietrza waży około miliarda kilogramów, tysiąc razy więcej niż cała woda w chmurze.^[2] Woda jest w chmurze domieszką, jak mgła rozproszona w ogromnej sali. Na sto kilogramów powietrza przypada jej około czterdziestu gramów.

Pod chmurą grubą na kilometr wypada nad każdym metrem kwadratowym około pół litra wody, rozproszonej na całej tej wysokości. Butelka mineralnej nad głową, a gdyby spadła od razu, zmoczyłaby podłogę na pół milimetra. Chmura nie jest więc workiem z wodą, tylko wilgotnym powietrzem, w którym wisi drobna zawiesina.

Kropla mniejsza niż ziarnko pyłku

Woda w chmurze nie jest gazem. To krople, które powstały na drobinkach kurzu, soli morskiej albo pyłku, a ich średnica wynosi około jednej setnej milimetra.^[3] W jednym milimetrze zmieściłoby się ich sto. Grawitacja ciągnie je w dół, ale opór powietrza zależy od powierzchni kropli, a jej ciężar od objętości. Przy tak drobnym ziarnie opór wygrywa, więc kropla po ułamku sekundy przestaje przyspieszać i dalej opada już w stałym tempie.

To tempo jest niepozorne. Kropla o promieniu dziesięciu mikrometrów opada w nieruchomym powietrzu z prędkością około centymetra na sekundę, czyli kilkadziesiąt metrów na godzinę.^[4] To wolniej, niż idzie człowiek. Z wysokości kilometra potrzebowałaby doby albo i dwóch, żeby dotrzeć do ziemi.

Dlaczego spód chmury jest płaski

Kłębiasta chmura ma zwykle płaskie dno i postrzępione czubki, a ta asymetria bierze się z jednej liczby: temperatury, w której powietrze staje się nasycone. Słońce ogrzewa ziemię, ziemia ogrzewa powietrze tuż nad sobą i ta masa zaczyna się wznosić. W drodze w górę rozpręża się pod coraz niższym ciśnieniem i stygnie. Na pewnej wysokości stygnie do tego stopnia, że nie mieści już całej swojej pary wodnej, i wtedy zaczyna się skraplanie.

Wszystkie masy powietrza w okolicy startują z tego samego poziomu i przechodzą podobną drogę, więc kondensacja zaczyna się w nich na zbliżonej wysokości. Stąd ostra pozioma linia pod chmurą i kłęby na górze, z których każdy jest już na innym etapie wznoszenia. Tę samą fizykę widać w zimowym oddechu: powietrze z płuc stygnie kilka centymetrów od twarzy i na moment robi się z niego chmurka.

Powietrze wznosi się szybciej niż kropla opada

Powietrze w chmurze prawie nigdy nie stoi. W chmurach warstwowych unosi się po kilka centymetrów na sekundę, w kłębiastych po kilka metrów na sekundę. Już najsłabszy z tych ruchów przechyla szalę. Kropla opada względem powietrza, ale powietrze unosi ją razem z sobą, więc względem ziemi może ona nawet piąć się w górę. Chmura trzyma się na jednej wysokości, bo bilans jest bliski zeru: kropla opada, powietrze się wznosi.^[5]

Kropla jest dobrym znacznikiem ruchu. Opada w powietrzu podobnie jak opiłek żelaza w wodzie wirującej w szklance: wir jest silniejszy i to on decyduje, gdzie opiłek się znajdzie. Kształt chmury, który widzisz, jest więc w dużej mierze kształtem wznoszącego się powietrza.

Deszcz potrzebuje miliona kropli

Skraplanie samo nie zrobi z chmury deszczu, bo kropla rośnie w ten sposób zbyt wolno. Potrzeba około miliona kropli o promieniu dziesięciu mikrometrów, żeby złożyć jedną kroplę o promieniu milimetra.^[6] W chmurze kłębiastej działa inny mechanizm: większe krople spadają szybciej, doganiają mniejsze i zlepiają się z nimi, a im większa się robią, tym szybciej spadają i tym więcej zbierają po drodze.

Ten mechanizm potrzebuje jednego warunku: kropli różnej wielkości. W chmurze, w której wszystkie krople są identyczne, wszystkie opadają z tą samą prędkością i nie mają szansy się dogonić. Różnice biorą się z jąder kondensacji, na których krople powstały: jedne są większe i chętniej chłoną wilgoć, więc rosną szybciej od pozostałych.

Gdy kropla przekroczy milimetr średnicy, opada już z prędkością kilku metrów na sekundę, a największe krople zbliżają się do dziesięciu. Żaden zwykły prąd w chmurze takiej kropli nie utrzyma. Wtedy chmura zaczyna się wypróżniać. Z chmur warstwowych spada mżawka, z kłębiastych krótka ulewa.

Nie z każdej chmury jednak pada. Cienka chmura warstwowa ma słabe prądy i krople, które nie zdążą urosnąć. Jeśli powietrze pod nią jest suche, kropla wyparowuje, zanim przeleci tę odległość. Chmura jest wtedy widoczna, a deszczu nie ma.

Ten sam rachunek sił rządzi gradem. Gradowa kulka rośnie tylko wtedy, gdy prąd trzyma ją w górze, aż oblepi się kolejnymi warstwami lodu. Rozmiar gradu jest więc zapisem siły wznoszenia: duże kulki zdarzają się tylko w chmurach burzowych, w których powietrze idzie w górę z prędkością kilku metrów na sekundę.

Chmura jest przepływem, nie przedmiotem

W chmurze kontur stoi, a treść płynie. Na brzegach krople parują, w środku powstają nowe, powietrze przepływa przez całą objętość, a kształt zostaje ten sam. Widzisz nie tyle obiekt, ile miejsce, w którym wilgotne powietrze skrapla się szybciej, niż wysycha.

Chmura nie jest więc balonem z wodą podczepionym do nieba, tylko przepływem, w którym zawartość wody w danym miejscu zależy od tego, ile jej dopływa i ile odpada. Kiedy dopływ się urywa, chmura rozpływa się, a woda wraca tam, skąd przyszła: do rzeki, do ogrodu, do szklanki.

Źródła

1. U.S. Geological Survey, Water Science School, „How Much Does a Cloud Weigh?”, 7 lipca 2019. https://www.usgs.gov/water-science-school/science/how-much-does-a-cloud-weigh
2. Douglas Wesley (COMET, University Corporation for Atmospheric Research), „Why do clouds float when they have tons of water in them?”, Scientific American, 10 czerwca 2002. https://www.scientificamerican.com/article/why-do-clouds-float-when/
3. Met Office, „Clouds”, strona edukacyjna. https://weather.metoffice.gov.uk/learn-about/weather/types-of-weather/clouds
4. The Weather Guys, University of Wisconsin-Madison, Space Science and Engineering Center, „How fast do raindrops fall?”, 10 września 2013. https://wxguys.ssec.wisc.edu/2013/09/10/how-fast-do-raindrops-fall/
5. Live Science, „Why do clouds float?”, wypowiedzi Alexa Lamersa (National Weather Service) i Marka Millera (Rutgers University). https://www.livescience.com/planet-earth/why-do-clouds-float
6. Geosciences LibreTexts, „7.2: Cloud Droplets”, rozdział podręcznika meteorologii. https://geo.libretexts.org/Bookshelves/Meteorology_and_Climate_Science/Atmospheric_Processes_and_Phenomena/07%3A_Precipitation_Processes/7.02%3A_Cloud_Droplets
7. Zdjęcie: Lee Ann Ratledge, „Cumulus Humilis Clouds – Tennessee, USA – July 7, 2014”, Wikimedia Commons, licencja CC BY 4.0. Kadr 16:9 i zmiana rozmiaru do 1200×675. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cumulus_Humilis_Clouds_-_Tennessee,_USA_-_July_7,_2014.jpg