Na jakiej wysokości są chmury? Podział na piętra chmur

Chmury znajdują się na różnych wysokościach – niskie sięgają od 100 m do 2 km, średnie rozkładają się między 2 a 7 km, a wysokie występują powyżej 7 km. Osobną grupę stanowią chmury o budowie pionowej, które potrafią objąć wszystkie te piętra jednocześnie. Poznanie szczegółów klasyfikacji pomaga zarówno w prognozowaniu pogody, jak i w świadomej obserwacji nieba.

Jak powstają chmury i jak bada się ich wysokość?

Procesy fizyczne zachodzące w atmosferze decydują o tym, gdzie zobaczymy chmury. Gdy ciepłe i wilgotne powietrze unosi się, rozpręża się adiabatycznie, a jego temperatura spada. Po osiągnięciu temperatury punktu rosy para wodna ulega kondensacji – zamienia się w mikroskopijne kropelki na zawieszonych w powietrzu cząstkach, które pełnią rolę jąder kondensacji. W niskich temperaturach kropelki przechładzają się lub przechodzą od razu w kryształki lodu w procesie resublimacji.

Już w 1802 roku Luke Howard zaproponował podział chmur na podstawowe grupy – od Cirrus przez Cumulus po Stratus – które po rozwinięciu stały się fundamentem współczesnej klasyfikacji. Światowa Organizacja Meteorologiczna wyróżnia dziś dziesięć głównych rodzajów, a szczegółowy opis odmian i gatunków zawiera Międzynarodowy Atlas Chmur zaktualizowany w 2017 roku. Piętra – wysokie, średnie i niskie – stanowią praktyczne ramy tego uporządkowania.

Od pary wodnej do kropel – proces kondensacji

Wznosząca się objętość powietrza natrafia na coraz niższe ciśnienie, więc zwiększa swoją objętość i ochładza się. Jeśli wilgotność jest dostatecznie duża, po przekroczeniu temperatury punktu rosy następuje nasycenie i skraplanie. Kropelki są tak drobne, że ich opadanie jest niemal niezauważalne, co sprawia, że chmury sprawiają wrażenie zawieszonych w przestrzeni.

Charakterystyczna płaska podstawa Cumulusa bierze się właśnie z jednakowego ciśnienia, przy którym rozpoczyna się kondensacja jednorodnie wymieszanej masy powietrza – dlatego linia podstawy biegnie poziomo. W przypadku chmur mieszanych, zawierających jednocześnie przechłodzone kropelki i kryształki lodu, wzrost kropel opadowych trwa odpowiednio długo, co wydłuża czas życia chmury.

Instrumenty pomiarowe – od radiosond po satelity

Do bezpośredniego poznania warunków panujących na danej wysokości służą radiosondy unoszone przez balony meteorologiczne. Mierzą one temperaturę, wilgotność i ciśnienie, co pozwala wyznaczyć poziom kondensacji, a tym samym podstawę chmur. W codziennej praktyce synoptyków kluczową rolę odgrywa jednak radar meteorologiczny, który wysyła fale radiowe i na podstawie ich odbicia ocenia wysokość oraz gęstość warstwy chmurowej.

Lidar działa na podobnej zasadzie, ale wykorzystuje impulsy laserowe – czas powrotu wiązki zdradza odległość od cząsteczek tworzących chmurę.

Z kolei satelity meteorologiczne dostarczają obrazu w skali globalnej, ukazując nie tylko typy zachmurzenia, ale także strukturę układów chmurowych, co pomaga w prognozowaniu zjawisk o dużej skali.

Chmury wysokie (powyżej 7 km) – królestwo kryształków lodu

W piętrze wysokim temperatura jest już na tyle niska, że chmury składają się niemal wyłącznie z kryształków lodu. Nie dają opadów docierających do ziemi, ale ich wygląd zdradza nadciągające zmiany frontowe. Najwcześniej pojawiają się delikatne Cirrusy, a za nimi nierzadko postępuje grubsza warstwa Cirrostratusa.

Cirrus – delikatne i pierzaste

Podstawę Cirrusa obserwuje się zwykle między 7 a 10 km. Jest to cienka, biała chmura o jedwabistym połysku, przypominająca piórka, włókna lub haczyki. W zależności od ukształtowania wyróżnia się kilka gatunków – Cirrus włóknisty (fibratus) układa się w równoległe nici, Cirrus haczykowaty (uncinus) ma zagięte końcówki, a Cirrus kłaczkowaty (floccus) przypomina drobne kłębki. Spotkać można również Cirrus promienisty (radiatus), którego pasma zdają się zbiegać w jednym punkcie horyzontu, oraz wyjątkowo zbity Cirrus gęsty (spissatus). Ich obecność często zwiastuje pogorszenie pogody w ciągu 24–48 godzin.

Cirrocumulus – baranki i ławice

Cirrocumulus pojawia się na wysokości 6–8 km jako biała warstwa złożona z drobnych kłębków lub płatków, niekiedy układających się w fale. Gatunek Cirrocumulus falisty (undulatus) tworzy miarowe grzbiety, a Cirrocumulus z przerwami (lacunosus) wygląda niczym plaster miodu. Te cienkie chmury nigdy nie przesłaniają tarczy słonecznej ani księżycowej i nie dają opadów.

Cirrostratus – woal dający zjawisko halo

Rozciągająca się na 8–10 km chmura Cirrostratus ma postać mlecznobiałej, gładkiej zasłony, w której gatunek Cirrostratus mglisty (nebulosus) jest tak jednolity, że niebo wydaje się jedynie lekko zmętniałe. Jej najciekawszą właściwością jest zdolność do wywoływania zjawiska halo – świetlistego pierścienia wokół Słońca lub Księżyca, powstającego przez załamanie światła na kryształkach lodu. To także zapowiedź nadchodzącego frontu ciepłego.

Chmury średnie (2–7 km) – między wodą a lodem

Na tym poziomie częściej spotykamy mieszaninę przechłodzonych kropelek i kryształków. Chmury średnie potrafią już dawać opady, które jednak nie zawsze docierają do gruntu – tworzą wtedy charakterystyczne smugi zwane virgą. Zarówno Altocumulus, jak i Altostratus są ważnymi wskaźnikami nadciągających zmian pogody.

Altocumulus – fale, soczewki i wieżyczki

Altocumulus z podstawą na 2–6 km tworzy rozległe ławice białych lub jasnoszarych kłębów. Gatunek Altocumulus przeświecający (translucidus) przepuszcza światło słoneczne, Altocumulus kłaczkowaty (floccus) składa się z postrzępionych tworów, a Altocumulus soczewkowaty (lenticularis) przyjmuje gładki, wrzecionowaty kształt często mylony z UFO. Altocumulus wieżyczkowaty (castellanus) zdradza wzmożoną chwiejność atmosfery i sygnalizuje możliwość rozwoju burz.

Pomiędzy poszczególnymi elementami ławicy często prześwituje błękit, co odróżnia go od jednolitych warstw Altostratusa. Opady, jeśli występują, mają postać virgi – smugi deszczu lub śniegu, która odparowuje przed osiągnięciem ziemi.

Altostratus – jednolita szara warstwa

Altostratus rozpościera się od 3 do 5 km i wygląda jak szara lub niebieskawa, gładka płachta. Gatunek Altostratus przeświecający (translucidus) pozwala ledwie dostrzec tarczę Słońca, natomiast Altostratus nieprzeświecający (opacus) całkowicie ją ukrywa. Altostratus promienisty (radiatus) układa pasma zbiegające się w kierunku horyzontu. Gdy chmura ta pogrubieje, daje ciągły, umiarkowany deszcz lub śnieg, a przed nadejściem frontu ciepłego stopniowo obniża swoją podstawę, przechodząc w Nimbostratus.

Chmury niskie (poniżej 2 km) – blisko ziemi

Najniższe piętro obejmuje chmury, których podstawa często znajduje się zaledwie kilkaset metrów nad gruntem. Tutaj panuje woda w kropelkach, a opady bywają wprawdzie słabsze, ale długotrwałe. Należą tu Stratus, Stratocumulus i znany każdemu Cumulus.

Stratus – mglista warstwa i mżawka

Stratus z podstawą od 100 do 700 m przypomina szarą, bezkształtną mgłę, która jednak nie dotyka ziemi. Gatunek Stratus mglisty (nebulosus) jest gładki i jednolity, podczas gdy Stratus postrzępiony (fractus) tworzy strzępy – zwykle w fazie powstawania lub zanikania. Chmura ta przynosi głównie mżawkę, a przy ujemnych temperaturach drobny śnieg ziarnisty.

Stratocumulus – pofałdowane ławice

Stratocumulus tworzy niskie (0,1–1,0 km) warstwy zaokrąglonych brył, często układających się w pasma. Gatunek Stratocumulus wieżyczkowaty (castellanus) zdradza lokalne wypiętrzenia, a Stratocumulus soczewkowaty (lenticularis) przybiera gładkie, wydłużone kształty. Opady są na ogół słabe i przelotne, a samo zachmurzenie sprawia, że niebo wygląda na mocno pofałdowane.

Cumulus – białe kłęby ładnej pogody

Cumulus ma podstawę umieszczoną od 0,6 do 2,5 km, a jego wygląd jest dobrze znany – wyraźnie odcięte, lśniącobiałe kopuły na błękitnym tle. Gatunek Cumulus płaski (humilis) oznacza stabilną aurę, Cumulus średnio wypiętrzony (mediocris) nieznacznie się rozbudowuje, zaś Cumulus wypiętrzony (congestus) potrafi dać już przelotny opad. Cumulus postrzępiony (fractus) powstaje w wyniku rozpadu większych chmur. Każdy Cumulus może ewoluować w Cumulonimbusa, gdy ruchy wznoszące są dostatecznie silne – ten proces określa się fachowo jako cumulogenitus (cugen).

Chmury o rozbudowie pionowej – od ziemi do tropopauzy

Ta grupa nie mieści się w pojedynczym piętrze – chmury rozrastają się w górę przez kilka kilometrów, a ich podstawa leży nisko. Do najważniejszych reprezentantów należą Cumulonimbus i Nimbostratus, odpowiedzialne za najintensywniejsze zjawiska pogodowe.

Cumulonimbus – góra burzowa z kowadłem

Podstawa Cumulonimbusa mieści się zwykle między 0,4 a 2,5 km, ale wierzchołek sięga nawet 13 km, często przekraczając tropopauzę. Gatunek Cumulonimbus gładki (calvus) ma zaokrąglony szczyt, Cumulonimbus czuprynowy (capillatus) wykazuje włókniste struktury, a Cumulonimbus z kowadłem (incus) rozpościera swój lodowy wierzchołek na kształt gigantycznego kowadła. Taka chmura może zawierać 400 tysięcy ton wody i wyzwalać gwałtowne ulewy, grad, pioruny oraz porywisty wiatr. Pojedyncze komórki burzowe potrafią przemieszczać się z prędkością kilkudziesięciu kilometrów na godzinę, stwarzając zagrożenie dla lotnictwa i żeglugi.

Cumulonimbus z kowadłem zwiastuje najgroźniejsze zjawiska – od intensywnych wyładowań atmosferycznych po opad gradu o średnicy kilku centymetrów.

Nimbostratus – długotrwałe opady

Nimbostratus rozciąga się od podstawy na 0,2–3 km aż na 4–6 km w górę, tworząc gęstą, ciemnoszarą warstwę, która szczelnie przesłania słońce. Jedynym wyróżnianym gatunkiem jest Nimbostratus smugi opadu (virga). W odróżnieniu od Cumulonimbusa daje opady ciągłe, często trwające kilka godzin – deszcz lub śnieg o umiarkowanym natężeniu. Chmura ta typowo pojawia się przed frontem ciepłym i stopniowo przechodzi z pogrubiałego Altostratusa.