Konwekcja cieplna

Konwekcja cieplna – to proces rozprzestrzeniania się ciepła w troposferze, polegający na pionowym ruchu powietrza, wywołanym jego nierównomiernym nagrzewaniem się od podłoża, dzięki czemu nagrzane cząsteczki powietrza jako lżejsze unoszą się ku górze, a na ich miejsce napływają chłodniejsze, co prowadzi do tego, że ciepło oddane przez powierzchnię ziemi, zostaje przenoszone do wyższych warstw troposfery.
Konwekcja cieplna największa jest tam, gdzie występuje łatwe nagrzewanie się powierzchniowej warstwy gruntu, a więc powierzchni nie zabudowanych i niezbyt mocno zarośniętych (gleba orna, łąki, łany zboża) i jest procesem dostrzegalnym gołym okiem, ponieważ uwidacznia się w postaci drgania warstw powietrza. Zjawisko konwekcji objaśnia się nieustannym przenoszeniem w górę nagrzanych warstw powietrza oraz osiadaniem warstw chłodniejszych, co nazywane jest krążeniem termicznym, przy czym ruch powietrza w górę nazywa się prądem wstępującym, a przeciwny prądem zstępujcym. Te pionowe prądy powietrza noszą wspólne miano prądów konwekcyjnych.

Chmury konwekcyjne – rozwijają się w ciągu dnia, przy słonecznej pogodzie, dzięki istnieniu procesu konwekcji cieplnej w chwiejnej masie powietrza. Konwekcja w początkowym swym stadium przebiega w postaci chaotycznie przemieszczających się strużek ciepłego powietrza, starającego przedostać się od warstwy bezpośrednio sąsiadującej z podłożem do warstw wyższych nazywanych konwekcją nieuporządkowaną. Gdy podłoże nagrzeje się już dostatecznie silnie, konwekcja nieuporządkowana przekształca się w potężne prądy wstępujące, sięgające nieraz aż po górne granice troposfery nazywane konwekcją uporządkowaną. Dzięki działaniu konwekcji uporządkowanej rozwijają się piękne białe chmury kłębiaste zwane Cumulus, a gdy prądy wstępujące są bardzo silne i powietrze jest wilgotne, wówczas Cumulusy rozbudowują się pionowo i przekształcają się najpierw w silnie wypiętrzone chmury kłębiaste Cumulus congestus, zaś następnie w chmury burzowe Cumulonimbus, których wierzchołki mogą sięgać nawet po tropopauzę. Prędkość prądów wstępujących w chmurach Cumulus wynosi 1 – 5 m/s, w silnie wypiętrzonych Cumulus congestus 4 – 15 m/s, natomiast w Cumulonimbusach już 25 – 30 m/s. Powietrze wznoszące się konwekcyjnie na pewnej wysokości obniży się do temperatury punktu rosy i wówczas następuje kondensacja pary wodnej, a wysokość ta zostaje określona mianem poziomu kondensacji. Wysokość zalegania tego poziomu zależy od wilgotności wznoszącego powietrza, bowiem gdy będzie ono suche to poziom kondensacji zalega wyżej, natomiast gdy będzie ono wilgotne – wówczas poziom leży niżej. Poziom kondensacji stanowi jednocześnie podstawę chmur konwekcyjnych. Silnie wypiętrzone chmury konwekcyjne w swym cyklu rozwojowym otrzymują trzy porcje energii: pierwsza – to ciepło otrzymane od podłoża, druga – na poziomie kondensacji, kiedy wydziela się utajone ciepło parowania i trzecia – na poziomie, gdzie temperatura spada poniżej 0°C i wydziela się ciepło sublimacji lub zamarzania.

Chmury konwekcyjne są chmurami o budowie pionowej – mają postać oddzielnych, gęstych kłębów koloru białego i wyróżniają się zbitą i zwartą budową, o wypukłych i zaokrąglonych kształtach. Ich płaskie i ciemnoszare podstawy leżą w piętrze chmur niskich, a śnieżnobiałe wierzchołki mogą sięgać nawet do piętra wysokiego. Do chmur tych należą:

Cumulus (Cu), chmury kłębiaste, jednorodne, wodne (tylko w przypadku silnego rozwoju w pionie mogą być niejednorodne czyli mieszane), powstające na skutek konwekcji cieplnej. Są to gęste chmury o ostrych zarysach rozwijające się pionowo, a wierzchołki ich przypominają kalafior, przy czym grubość ich może nawet dochodzić do 6 km. Występują w czterech gatunkach, będących jednocześnie ich stadiami rozwojowymi:

Cumulus fractus (Cu fra) – stanowi oddzielne, poszarpane kłaczki białego koloru o niewielkich rozmiarach,

Cumulus humilis (Cu hum) – nazywana chmurą pięknej pogody, ma kształt płaskiej kopuły białego koloru,

Cumulus mediocris (Cu med) – jest chmurą kłębiastą o umiarkowanym rozwoju pionowym,

Cumulus congestus (Cu con) – silnie wypiętrzona, wykazująca skłonność do zlewania się i łączenia w większe
zespoły, ma kolor oślepiającą biały i ciemniejszą podstawę, przy sprzyjających warunkach może dawać przelotny opad deszczu.

Odmianami chmur Cumulus są:

Pyrocumulus (Cu) – chmura kłębiasta, powstała w wyniku konwekcji wyzwolonej przez działanie pożaru dużych obszarów np. lasów lub łąk na terenach wilgotnych, którego płomienie ogrzewają sąsiadujące z nimi warstwy powietrza, powodując w efekcie rozwój potężnych prądów pionowych, których następstwem są wypiętrzające się chmury w końcowych fazach rozwojowych mogące przekształcić się nawet w chmury burzowe,
Wśród Cumulusów wyróżnia się wiele cech dodatkowych częściej bądź rzadziej występujących:

Cumulus pileus (Cu pil) – cecha, występująca dość rzadko, towarzysząca silnie rozbudowanej w pionie chmurze Cumulus, przypominająca swego rodzaju czapkę filcową zawieszoną ponad wierzchołkiem właściwej chmury, lub też przylegającą do jej wierzchołka, który niejednokrotnie ją przebija,

Cumulus velum (Cu vel) – towarzyszy silnie rozbudowanej chmurze Cumulus i przybiera postać zasłony ponad wierzchołkiem chmury, z którym może się też stykać, lub być przez niego przebita,

Cumulus arcus (Cu arc) – występuje dość rzadko w przypadku chmur Cumulus (tylko o intensywnym rozwoju pionowym) i przybiera wygląd gęstego, postrzępionego wału poziomego, znajdującego się na czele dolnej części chmury, przybierający wygląd złowrogiego, groźnego łuku,

Cumulus tuba (Cu tub) – bardzo rzadko towarzyszy, szczególnie silnie wypiętrzonym chmurom Cumulus, przyjmując postać kolumny lub leja wyrastającego z podstawy chmury, świadczącego o istnieniu silnego wiatru.

Cumulonimbus – są to potężne chmury o dużej rozciągłości pionowej, ukształtowane na podobieństwo gór lub wież. Przynajmniej część ich wierzchołków jest gładka, włóknista lub prążkowana i prawie spłaszczona, rozpościerająca się na kształt kowadła, kalafiora lub pióropusza. Towarzyszą im burze, składające się z obfitych opadów przelotnych wszelkiego rodzaju, wyładowań elektrycznych oraz wzrostu prędkości wiatru. Grubość Cumulonimbusów może osiągać nawet 12 km. Wśród tych chmur wyróżnia się dwa gatunki:

Cumulonimbus calvus (Cb cal)– nazywana popularnie „łysa”, o grubości około 6 km, wyróżniająca się zwartą i masywną budową, powstająca w wyniku konwekcji, której wypukłości zaczynają zatracać cechy chmur kłębiastych, ale jeszcze nie wykazują cech pierzastych, aczkolwiek wierzchołek traci już wyraźne zarysy,

Cumulonimbus capillatus (Cb cap) – nazywana potocznie „owłosiona”, o grubości około 9 km z wyraźnie zaznaczoną budową włóknistą w swych górnych partiach.
Chmury Cumulonimbus nie posiadają żadnych odmian, a tylko cechy dodatkowe do których należą:

Cumulonimbus incus (Cb inc) – chmura Cumulonimbus z wierzchołkiem na kształt kowadła o silnym rozwoju pionowym do 12 km i potężnym potencjale elektrycznym, mogą jej towarzyszyć huraganowe porywy wiatru, opady gradu, a w szczególnych przypadkach trąby powietrzne,

Cumulonimbus mamma (Cb mam) – chmura, u podstawy której wiszą workowate formy nazywane mamma, o znacznie większych rozmiarach, niż w przypadku tej samej cechy u innych rodzajów chmur,

Cumulonimbus pileus (Cb pil) – posiada cechę dodatkową ja w przypadku Cu, aczkolwiek o znacznie większych rozmiarach,

Cumulonimbus velum (Cb vel) – posiada cechę dodatkową, dość powszechnie występującą, analogiczną do tej samej cechy gatunku Cumulus, lecz o znacznie większych rozmiarach,

Cumulonimbus arcus (Cb arc) – chmura, która w swej dolnej części wykazuje zjawisko kołnierza nawałnicowego, występującego w postaci zwoju lub wału o osi poziomej, towarzyszą jej bardzo silne wiatry i jest to cecha wiele intensywniejsza niż w przypadku chmur rodzaju Cu,

Cumulonimbus tuba (Cb tub) – cecha analogiczna do tej cechy chmur Cumulus, jednakże o znacznie większych rozmiarach i natężeniu.

Burze konwekcyjne (cieplne, termiczne, miejscowe) – powstają latem podczas bezwietrznej i upalnej pogody przy chwiejnej równowadze atmosfery, co sprzyja rozwojowi termiki. Wytwarzają się w porze dnia, w której obserwuje się dobowe maksimum temperatury, co przypada na godziny 14 – 15. Latem – przy mało zmiennym wyżu barycznym o małym poziomym gradiencie ciśnienia podłoże coraz silniej się nagrzewa, a temperatura powietrza wraz z wilgotnością bezwzględną wzrasta z dnia na dzień, co prowadzi do rozwoju termiki wypracowanej, której kominy termiczne sięgają bardzo wysoko, w wyniku czego wytwarzają się potężnie rozbudowane chmury Cumulus congestus, przekształcające się następnie w Cumulonimbus. Burze tego rodzaju przemieszczają się powoli z prędkością 5 – 15 km/h i w niesprzyjających warunkach szybko znikają (mała liczba komórek burzowych), po to aby następnego dnia pojawić się ponownie już w godzinach wcześniejszych. Przy sprzyjających warunkach rozwojowych (duża liczba komórek burzowych, intensywne ogniska termiczne) burze konwekcyjne mogą także występować wieczorem, a nawet nocą, jednak o tej porze nie powstają, tylko powoli mogły przywędrować z innego terenu. Proces konwekcyjny w opisywanym przypadku może występować codziennie, dopóki prądy wstępujące nie doprowadzą do ogrzania się górnych warstw powietrza, a opady atmosferyczne nie ochłodzą warstw dolnych, przez co wyrównają się kontrasty termiczne i powietrze uzyska równowagę stałą. Do chwili wystąpienia burzy temperatura powietrza i wilgotność bezwzględna bezustannie wzrasta, natomiast wilgotność względna – maleje. Ciśnienie atmosferyczne, wskutek silnego ogrzania się powietrza stopniowo spada aż do chwili wystąpienia burzy, po czym zaczyna nagle wzrastać i wtedy również wiatr zwiększa swą prędkość i wieje na wszystkie strony od burzy, prowadząc do powstania nowych chmur Cb wokół pierwotnej komórki burzowej. Burze konwekcyjne są zazwyczaj bardzo intensywne – towarzyszą im liczne wyładowania elektryczne, silne opady przelotne: deszczu, krupy i gradu. Normalnym okresem występowania tego typu burz są miesiące od kwietnia do września, przy czym burze o największym nasileniu występują na przełomie lipca i sierpnia.

Comments are closed.