12. CYKLONY SZEROKOŚCI UMIARKOWANYCH
Pamiętamy, że terminu „cyklon” możemy używać w odniesieniu do niżu barycznego. Teraz zajmiemy się cyklonami szerokości umiarkowanych, żeby nie pomylić ich z cyklonami tropikalnymi, które wprawdzie też są niżami, lecz małoskalowymi, które objawiają się zdecydowanie groźniej.
12.1. ROZWÓJ NIŻU WG BJERKNESA
Około 1920r. norweski geofizyk J. Bjerknes ogłosił falową teorię powstawania i rozwoju niżu, która do dziś znajduje potwierdzenie, choćby na zdjęciach satelitarnych. W szerokościach pozazwrotnikowych, zwykle na głównych frontach troposfery powstają zaburzenia przybierające postać fal o długości rzędu 1000 km. Załóżmy, że dwie masy powietrza różniące się zasobem ciepła i wilgoci przemieszczają się równolegle, lecz w prze- ciwnych kierunkach. Między ciepłym prądem powietrznym, płynącym np. z SW do NE, a chłodnym prądem z wyższych szerokości o kierunku NE → SW wytwarza się powierzchnia nieciągłości zwana frontem stacjonarnym (rys. a), równoległym do izobar.
Rys. 22 a-f - Powstawanie i rozwój niżu wg Bjerknesa
Zgodnie z teorią Helmholtza pomiędzy dwoma ośrodkami o różnej gęstości i temperaturze, przesuwającymi się równolegle z różną prędkością w kierunku przeciwnym lub zgodnym, powstaje zafalowanie: w grzbietach fali znajdzie się powietrze ciepłe, w dolinach - chłodne (rys. b). Z biegiem czasu fala wykształca się wyraźniej, jej amplituda rośnie, prądy powietrzne tracą charakter strefowy i zaburzenie frontu przechodzi wówczas z falowego w wirowe. Tworzą się pojedyncze języki powietrza ciepłego otoczone ze wszystkich stron przez powietrze chłodne. Zaczynają się „wślizgi” i „ześlizgi” powietrza. Całe takie zawirowanie z ciśnieniem najniższym w szczycie ciepłego grzbietu i z utrzymującą się powierzchnią rozgraniczającą, nosi nazwę niżu - cyklonu (rys. c). Jednakże tu już zaznacza się zróżnicowanie tej powierzchni na odcinek frontu ciepłego i chłodnego. Zdefiniujmy teraz fronty atmosferyczne:
Frontem ciepłym nazywamy ten fragment powierzchni granicznej, wzdłuż której na ustępujące powietrze chłodne nasuwa się łagodnym klinem powietrze ciepłe.
Front chłodny reprezentuje ten odcinek powierzchni frontalnej, na którym dochodzi do gwałtownego wypierania ciepłego powietrza przez atakujące zimne i ciężkie powietrze utrzymujące się bliżej Ziemi.
W życiu niżu wyróżnia się kilka stadiów rozwojowych. W dobrze wykształconym młodym niżu wędrującym z W ku E front ciepły stanowi ramię SE, a front chłodny - ramię SW ciepłego wycinka niżu (rys c). Póki trwa wyraźny dopływ powietrza ciepłego, niż pogłębia się i przesuwa dalej na wschód. Fakt ten pobudza powietrze chłodne (z natury aktywniejsze i bardziej mobilne) do intensywniejszego ruchu w kierunku centrum cyklonu, co wpływa na zwężanie się wycinka ciepłego (rys d). Z chwilą gdy front chłodny dogoni front ciepły, ciepłe powietrze zostaje wyparte do górnej części troposfery, gdzie się ochładza. „Zwarcie” obu tych frontów nosi nazwę okluzji (łac. occludo - zwieram, zamykam) i powstaje front zokludowany (rys e). Okluzja jest końcowym stadium życia cyklonu, nie ma już warunków do spadku ciśnienia (powietrze ciepłe zostało oderwane od Ziemi) i niż stopniowo wypełnia się. Początkowo mocą bezwładności utrzymuje się jeszcze ruch cyklonalny w zimnym powietrzu, jednak i ten słabnie i zanika (rys f).
Zazwyczaj na gałęziach frontu polarnego czy arktycznego powstaje cała seria, „rodzina” niżów atmosferycznych. Taka rodzina jest uszeregowana wg wieku: najstarszy niż - najbardziej wysunięty na E czy NE jest już w stadium zaniku, kolejno występują coraz to młodsze niże, różniące się o jedno stadium, aż do lekkiego zafalowania na SW, które kończy tę serię. Okres życia takiej rodziny w naszych szerokościach geograficznych trwa około tygodnia, a ożywiona działalność w pełni dojrzałych ośrodków - około dwóch dni. Poszczególnych „członków” rozdzielają silniej lub słabiej zarysowujące się układy podwyższonego ciśnienia, przeważnie kliny.
Jeśli spojrzymy na pionowy przekrój przez front ciepły, stwierdzimy, że jest on nachylony w stosunku do powierzchni ziemi pod bardo niewielkim kątem. Tu odbywa się spokojne nasuwanie (wślizgiwanie) łagodnym klinem powietrza ciepłego na miejsce ustępującego powietrza chłodnego. Ten wślizg ciepłej masy prowadzi na skutek adiabatycznego ochładzania do intensywnej kondensacji i powstania całego układu chmur, charakterystycznego dla przedniej części niżu. Początkowo jest to cienki Ci, który grubieje i przekształca w Cs, potem schodzi coraz niżej i pojawia się As (niekiedy jeszcze można zaobserwować Ac), zaczynają się opady - z początku nie dochodzące do powierzchni ziemi, słabe, jednostajne, następnie gdy As jeszcze się obniży, zgrubieje i przejdzie w Ns (pod nim często zjawia się postrzępiony St, czasem Sc), opady stają się obfite i długotrwałe. Słabną dopiero po przejściu frontu, chmury zaczynają się kłębić, obserwujemy Sc coraz cieńszy, wreszcie pojawiają się przerwy i z nimi przejaśnienia.
Rys 23 - Przekrój pionowy przez front ciepły
Po pewnym czasie nadchodzi front chłodny, wypierający masę ciepłą do góry. Powietrze chłodne jako cięższe zwalnia swój ruch w warstwie przyziemnej na skutek tarcia, dlatego front jest nachylony pod dużym kątem. Mówimy, że napiera całą swoją powierzchnią wywołując gwałtowne prądy wstępujące. Adiabatyczne ochładzanie prowadzi do kondensacji i rozwoju potężnych chmur Cb, (a z nich opadów przelotnych, wprawdzie krótkotrwałych, lecz często intensywnych, ulewnych) oraz burz. Po przejściu frontu szybko następują rozpogodzenia, czasem w chłodnym już powietrzu, przy chwiejnej równowadze rozwijają się chmury konwekcyjne. Powietrze chłodne jest bardzo mobilne i dlatego front chłodny porusza się o wiele szybciej niż front ciepły.
Rys 24 - Przekrój pionowy przez front chłodny
12.2. POGODA W NIŻU I W WYŻU
Przemieszczające się układy cyklonalne w szerokościach pozazwrotnikowych mogą pokonywać znaczne odległości, np. niże wkraczające od zachodu nad kontynent europejski zanikają dopiero nad Niziną Rosyjską lub w pobliżu Uralu. Po drodze stają się przyczyną wielorakich zmian pogody.
Wspomniane układy cechuje określony cykl rozwojowy. Na rysunku przedstawiono rzut poziomy (w środku) oraz dwa przekroje pionowe typowego, młodego i aktywnego cyklonu (u góry i u dołu).
Rys. 25 - Zmiany pogody podczas przechodzenia niżu
Schematycznie zaznaczono prądy powietrza, strefy zachmurzenia i opadów. Przekroje pionowe układu w profilu A-B i C-D ułatwiają określenie warunków panujących w pobliżu centrum układu oraz w części peryferyjnej, objętej przez fronty atmosferyczne.
Jeżeli nad miejscem obserwacji przemieszcza się północna część niżu (profil A-B), wiatr zmienia kierunek z SE na NE lub N. Występuje szeroka, pojedyncza strefa opadów, ciśnienie ulega zmianom (spadek, potem wzrost). Jeżeli przemieszcza się południowa, peryferyjna część niżu (profil C-D), zauważa się, ogólnie biorąc zmianę kierunku wiatru z S przez SW do NW. Warunkuje to przepływ powietrza o różnych temperaturach i stąd biorą się jej wahania podczas przemieszczania się układu. Są tu dobrze rozwinięte fronty atmosferyczne. Początkowo powietrze ciepłe przemieszcza się górą nad obszar zajmowany dotąd przez powietrze chłodniejsze. W strefie styku tych mas formuje się front ciepły, a za nim mamy tzw. wycinek ciepły, kształtem przypominający trójkąt. Potem powietrze chłodne w tym układzie przy powierzchni ziemi nachodzi dołem nad obszar zajmowany dotąd przez powietrze ciepłe, a w miejscu styku tych mas formuje się front chłodny, który generuje chwiejną równowagę powietrza i przynosi opady przelotne. W następstwie dalszego rozwoju niżu spada ciśnienie w jego centralnej części, lecz na peryferiach rozpoczyna się wzrost w miarę oddalania się układu. Ze względu na różną prędkość przemieszczania się frontów, dochodzi do ich połączenia się i powstaje okluzja.
Podobnie jak niże baryczne, wyże mogą być pochodzenia termicznego (albo - jak podzwrotnikowe - dynamicznego). Tworzą się nad obszarami wychłodzonymi obszarami lądowymi (rzadko morskimi) i cechują je niewielkie gradienty ciśnienia.
Pomiędzy poszczególnymi układami niskiego ciśnienia znajdują się obszary podwyższonego ciśnienia w postaci wyżów albo klinów. Przemieszczają się z prędkością zbliżoną do ruchu cyklonów i stąd często noszą nazwę wyżów (antycyklonów) wędrownych. Wśród wyżów wędrownych, powstających jednocześnie z niżami (skutkiem deformacji powierzchni frontu głównego) rozróżnia się te, które oddzielają poszczególnych członków rodziny niżów oraz tzw. wyże zamykające, zlokalizowane za frontem chłodnym ostatniego niżu. Z tendencją do przemieszczania się wyżów w stronę niższych szerokości geograficznych, związany jest napływ ciepłego powietrza w ich części zachodniej. W miarę rozwoju wyżu staje się on obszarem ciepłego powietrza na wszystkich poziomach, więc wysoki wyż baryczny (bardzo dobrze rozbudowany) jest ciepłym obszarem troposfery.
W wyżach barycznych nie ma frontów. Dlatego nie pojawiają się tam chmury związane z rozwojem i przemieszczaniem się frontów, ani towarzyszące im opady. W wyniku rozbieżności prądów powietrza i prądów zstępujących, centralne obszary wyżów cechuje pogoda słoneczna lub z niewielkim zachmurzeniem i ze słabymi wiatrami, ponieważ gradienty ciśnienia są niewielkie.
Niektóre źródła podają trzech autorów: T. Bregerona, J.Bjerknesa i H. Solberga.
Najprościej będzie jednak powiedzieć, że front ciepły to taki za którym napływa cieplejsze powietrze, a zalegające wcześniej chłodne ustępuje, zaś front chłodny odwrotnie - wypiera powietrze ciepłe i przynosi ochłodzenie. Podobne rozróżnienie można zastosować do frontów klimatologicznych.
Okluzja nie jest termicznie obojętna; wyróżnia się okluzje o charakterze ciepłym i chłodnym
Pewien wyjątek mogą stanowić dolne warstwy troposfery nad lądami w chłodnej porze roku. Jeśli ciepły wyż znajdzie się nad wychłodzonym podłożem, prowadzi to do wystąpienia mgieł typu radiacyjnego oraz charakterystycznego zachmurzenia i niekiedy opadów („zgniły” wyż ze Stratusem i mżawką), u nas najczęściej obserwowany późną jesienią po okresie chłodów.