1. powietrze chłodne wypycha (odsuwa) powietrze ciepłe - jest to front chłodny (rysunek 11);
1. powietrze chłodne wypycha (odsuwa) powietrze ciepłe - jest to front chłodny (rysunek 11);
2. powietrze ciepłe wypycha (odsuwa) powietrze chłodne - jest to front ciepły (rysunek 12).
W pierwszej kolejności zastanówmy się nad wyglądem powierzchni frontu w obu tych przypadkach.
1. Powietrze chłodne jako cięższe od powietrza ciepłego odsuwając powietrze ciepłe wsuwa się pod nie, wypychając to ciepłe powietrze do góry - wtedy prawie cała energia ruchu (kinetyczna) masy chłodnej jest zużywana na przesuwanie po ziemi linii frontu. Znaczy to, że linia frontu przesuwa się po ziemi z prędkością w przybliżeniu równą prędkości ruchu masy chłodnej, bo powierzchnia frontu jest mocno zbliżona do pionu. Zjawiska związane z obszarem frontowym nie mają większej rozciągłości poziomej jak 50 do 75 kilometrów. Wypychanie do góry masy ciepłego powietrza obywa się z wielką prędkością i dlatego jego ruch jest zdecydowanie turbulentny - powstające w związku z tym ruchem zachmurzenie musi zatem być zachmurzeniem kłębiastym. Tak jak przy przesuwaniu pionowo ustawionej deski po wodzie powstaje przed nią zafalowanie wody, tak i przed frontem chłodnym (na 50 do 100 km) często również powstaje zafalowanie (zwłaszcza, gdy w masie ciepłej były inwersje) i widać je wtedy w postaci chmur gatunku lenticularis sygnalizujących zbliżanie się frontu.
2. Powietrze ciepłe, jako lżejsze, odsuwając powietrze chłodne wślizguje się po nim do góry, na to unoszenie się zużywa znaczną część swojej energii ruchu. Dlatego tylko niewielka jej część zostaje zużyta na przesuwanie linii frontu po ziemi i prędkość przesuwania linii frontu po ziemi jest znacznie mniejsza od prędkości ruchu masy ciepłej. Powierzchnia frontu pochyla się bardzo płasko pod małym kątem do powierzchni ziemi i zjawiska związane z obszarem frontowym rozciągają się na przestrzeni 800 do 1000 kilometrów. Płaskie ułożenie powierzchni frontu powoduje, że wślizgiwanie się powietrza ciepłego po masie chłodnej odbywa się bardzo wolno, a więc w sposób laminarny - czyli powstające tam zachmurzenie jest zachmurzeniem typowo warstwowym.
Z tego co już wiemy wynika, że front chłodny jest zawsze znacznie szybszy od frontu ciepłego. Nic więc dziwnego, że w układach wirujących, typu niż czy wyż, zawsze po pewnym czasie dochodzi do tego że front chłodny dogoni front ciepły. Gdy tak się stanie, mamy do czynienia z tzw. okluzją. W zależności od tego, czy wyganiane powietrze chłodne, frontu ciepłego jest chłodniejsze, czy cieplejsze od napierającego powietrza chłodnego frontu chłodnego - mówimy, że okluzja jest chłodna, albo że jest ona okluzją ciepłą.
1. Jeżeli powietrze chłodne frontu chłodnego jest zimniejsze od powietrza chłodnego uciekającego frontu ciepłego to okluzja (lub front okluzji) jest chłodna.
2. Jeżeli powietrze chłodne frontu chłodnego jest cieplejsze od powietrza chłodnego uciekającego frontu ciepłego to okluzja (lub front okluzji) jest ciepła.
Każda okluzja zaczyna się tak, jak front ciepły, z wszystkimi właściwymi dla niego objawami, ale dalej może być już różnie: Jeśli okluzja była chłodna, to kończy się tak samo jak kończy się front chłodny. Jeśli jednak była to okluzja ciepła to kończy się ona tak, jak zwykle kończy się front ciepły - tylko w czasie jej przechodzenia możemy się zorientować, że to nie czysty front ciepły, a okluzja - po zmianie intensywności opadów i ewentualnych w nim przerwach.
Przejdźmy teraz do omówienia zjawisk pogodowych związanych z przechodzeniem przez miejsce gdzie się znajdujemy kolejno frontu chłodnego i potem frontu ciepłego.
Front chłodny
Przed nadejściem frontu chłodnego znajdujemy się w ciepłym wycinku układu (niżu lub wyżu). Dla ciepłego wycinka układu charakterystyczna jest następująca pogoda:
Równowaga stała, brak prądów pionowych (powietrze oziębia się od podłoża i jako cięższe nie ma żadnego powodu do unoszenia się). Z powodu równowagi stałej w powietrzu znajduje się wiele zawiesin, co powoduje, że widzialność pozioma jest raczej słaba. Albo jest przy tym bezchmurnie, albo istniejące zachmurzenie to rozpływające się ławice chmur warstwowych. Duża możliwość istnienia w masie inwersji (często więcej, niż jednej). Raczej nieduża siła wiatru zupełnie pozbawionego porywów (tu trzeba rozróżnić, że chodzi o porywy wiatru w masie, a nie o porywy wytworzone sztucznie przez przeszkody terenowe i inne uwarunkowania pozamasowe). To pogoda charakterystyczna dla ciepłego wycinka układu - niezależnie od tego, czy jest to niż, czy wyż - różnice będą jedynie w intensywności zjawisk pogodowych, które zawsze w wyżu są mniej intensywne i skromniej wyrażone.
Pierwszą możliwą oznaką zbliżania się frontu chłodnego może być wystąpienie chmur Ac (len) czyli Altocumulus lenticularis, czyli średnich chmur kłębiastych gatunku soczewkowatego. Przez szybkie zbliżanie się granicy mas już przed samą granicą powstanie zafalowanie inwersji, którego to zafalowania obrazem są właśnie te chmury. Normalnie ostro widoczne ich krawędzie tym razem mogą być mniej wyraźne z powodu kiepskiej widoczności poziomej w ciepłym wycinku układu. Może słabnąć wiatr, który następnie może zacząć stopniowo się nasilać z dokładnie przeciwnego kierunku. Początkowo kierunek wiatru jest zgodny z kierunkiem ruchu masy, w pobliżu linii frontu ogromny cumulonimbus powstały na powierzchni frontu działa jak gigantyczny odkurzacz wciągając wszystko co znajdzie się w jego zasięgu w górę i dlatego właśnie dojdzie najpierw do stopniowego wyhamowania zasadniczego wiatru do zera na następnie do systematycznego wzrostu jego siły w kierunku przeciwnym (w tą stronę, w którą ciągnie ten odkurzacz). Wyciąga on zresztą również absolutnie wszystkie zawiesiny i zamglenia zawarte w masie ciepłej. Zbliżania samego cumulonimbusa można wcześniej nie widzieć dokładnie właśnie z powodu panujących ograniczeń w widoczności poziomej. Cała odpowiednia strona nieba robi się jedynie stopniowo coraz ciemniejsza i gdy już wiatr wieje w jej stronę jest zwykle wyraźnie czarna. W związku z odkurzaczowym zasysaniem zamgleń i zawiesin widoczność w pobliżu cumulonimbusa zaczyna się poprawiać. Czasami na skutek tego zjawiska jakby odsłaniająca się kurtyna pokazuje nam, bardzo już bliską gigantyczną chmurę kłębiastą przegradzającą cały horyzont. W tym momencie ucieczka paralotniarza na ziemię jest zwykle już niemożliwa, jest już za późno. Uciekać trzeba koniecznie wcześniej - wtedy, kiedy zaczyna zanikać wiatr i jedna strona nieba jest dopiero nieco ciemniejsza od drugiej. Wtedy, kiedy widać soczewki chmur lenticularis, ucieka się bezpiecznie i skutecznie. Groźność tego cumulonimbusa frontu chłodnego jest zależna od różnicy temperatur obu mas i prędkości następowania masy chłodnej, ale zawsze dla wszelkich "letadel" jest on zjawiskiem groźnym, a dla paralotniarstwa - śmiertelnie groźnym.
Robi się coraz ciemniej, szarpiący i coraz bardziej porywisty wiatr zaczyna porywać najpierw liście i śmieci, potem gałęzie i drobne przedmioty. Mogą zacząć się pierwsze błyskawice. Trzeba pamiętać, że w odróżnieniu od zwykłej burzy wewnątrzmasowej cumulonimbus frontowy ma od samej ziemi ogromną siłę ssania (prędkość wznoszeń w naszej szerokości geograficznej może dochodzić do 80 metrów na sekundę, a trzeba pamiętać, że prędkość opadania skoczka spadochronowego przy ziemi przed otwarciem spadochronu waha się w zależności od jego pozycji w stosunku do kierunku spadania od 48 do 54 metrów na sekundę - czyli człowiek w wolnym spadku byłby unoszony do góry z prędkością około 30 metrów na sekundę). Jakie szanse ma w tej sytuacji lecący paralotniarz? Na przełomie końca maja i początku czerwca br. w Alpach w Tyrolu w dzień o zagrożeniu burzowym, zaginął paralotniarz - został znaleziony następnego dnia w odległości ponad 60 kilometrów od miejsca, gdzie zaginął - sekcja zwłok wykazała, że zginął z powodu głodu tlenowego, a połamania nastąpiły już u trupa.
W chwilę potem przychodzi silny, burzowy opad - jesteśmy już poza linią frontu. Po odejściu chmury burzowej szybko się przejaśnia. Wiatr zmienił swój kierunek o ponad 50 stopni w stosunku do dawnego kierunku w masie ciepłej. Widoczność pozioma poprawiła się natychmiast krańcowo - teraz jest wręcz kryształowa - o takiej widoczności mówi się żartem, że gdyby wzrok mógł zakręcać to możnaby liczyć piegi na własnych plecach dookoła ziemi. W masie panuje już teraz silna równowaga chwiejna i zwykle już widać w pewnej odległości następny wał chmur burzowych nazywany czasami błędnie frontem drugorzędnym. To żaden front, ale wynik silnej równowagi chwiejnej i skłonności do budowania się coraz wyższych chmur kłębiastych. Od wielkości tej skłonności właśnie zależy odległość do tego drugiego łańcucha chmur, który wcale nie musi być o wiele mniej groźny od zasadniczego frontu. Zazwyczaj jednak w miarę oddalania się od linii frontu ta wielka chwiejność masy nieco się zmniejsza i dalsza pogoda w masie chłodnej jest już typową dla pogody w tej masie, to znaczy:
Równowaga chwiejna, konwekcja, budowa chmur kłębiastych, wiatry porywiste o często zmiennych kierunkach spowodowanych licznymi duszeniami i noszeniami w okolicy, na ogół świetna widoczność pozioma (duża przejrzystość powietrza), brak w powietrzu zawiesin stałych - np. dla alergików jest to dużo lepsza masa, niż ciepła.
Typowe zachmurzenie, charakterystyczne dla frontu chłodnego pokazuje rysunek 13.
Front ciepły
Przed nadejściem frontu ciepłego znajdujemy się w chłodnym wycinku układu (niżu lub wyżu) i pogoda nas otaczająca jest typowa dla pogody w masie chłodnej:
Równowaga chwiejna, rozwój chmur kłębiastych, dobra widoczność pozioma, wiatry szkwaliste o zmiennych kierunkach chwilowych i o zmiennej sile. Jak wielkie jest zachmurzenie i czy rozbudowuje się ono wysoko powyżej podstaw, zależy od pionowego rozkładu temperatury oraz od wilgotności masy i może w rozmaitych sytuacjach przyjmować rozmaite wielkości - od termiki bezchmurnej, aż po silny rozwój chmur kłębiastych i występowanie lokalnych burz termicznych.
W tej pogodzie pierwszą oznaką zbliżania się frontu ciepłego są nikłe, włoskowate chmury Ci unc, czyli Cirrus uncinus, czyli pierzaste haczykowate, które pojawiają się od strony nadchodzącego frontu na bardzo dużych wysokościach w formie nasuwającego się, i ciągle pogrubiającego obszaru chmur pierzastych przechodzących stopniowo w pierzasto-warstwowe prześwitujące Cs tr. Wtedy możemy już wiedzieć, że linia frontu jest od nas oddalona o około 900 kilometrów. Powoli zasnuwające się niebo powoduje pochłanianie promieni słonecznych i coraz skromniejsze budowanie się dotychczasowych chmur kłębiastych, które stają się coraz bardziej anemiczne i niewypiętrzone. Warstwa nadciągających chmur wysokich staje się powoli coraz grubsza i gęstsza (Cs spi), a będące znacznie poniżej nich, chmury cumulus stają się coraz mniejsze i coraz mniej kłębiaste, aż w odległości około 500 km od linii frontu zanikają zupełnie. Niebo jest teraz zaciągnięte wyraźnie się pogrubiającą, jednolitą zasłoną, która przestaje już umożliwiać dokładną lokalizację słońca. W odległości około 350-400 kilometrów przed linią frontu zaczyna się początkowo słaba, potem lekko się nasilająca mżawka, a wiatr stracił już swoje porywy i zaczyna słabnąć. Wspomniana mżawka pada już nieco wcześniej, ale nie dolatuje do ziemi, wyparowując po drodze. Około 300 kilometrów przed linią frontu z mżawki robi się stopniowo opad trwały, niebo jest już zupełnie ołowianego koloru, a przykrywająca je ogromna chmura to nimbostratus. Jej dolna podstawa stopniowo się obniża i ponieważ ciągle z niej pada, to poniżej tej podstawy dochodzi (przez dodatkowe podlewanie) do takiego wzrostu wilgotności powietrza, że mogą utworzyć się czarne poszarpane ze wszystkich stron, nieregularne chmury fraktus (St fra) - są to charakterystyczne chmury powstałe "przez podlewanie" czyli zawsze w opadzie. Ponieważ prędkość przemieszczania się frontu ciepłego nie przekracza 100 kilometrów na dobę (pisałem już wcześniej, że jest bardzo mała) więc opad z nimbostratusa, wolny i regularny trwa przy przechodzeniu typowego frontu ciepłego trzy dni i jest po prostu, tym co ujmują ludowe przysłowia - typową trzydniówką. Po przejściu linii frontu znajdujemy się już w masie cieplej, która ochładzając się od podłoża może wytrącać mgły (adwekcyjne). Widoczność pozioma spada, wiatr jest słaby i bez porywów, a jego kierunek zmienił się w stosunku do poprzedniego kierunku ruchu masy o ponad 50 stopni. Zachmurzenie to pozostałości w postaci ławic chmur warstwowych powoli się rozmywających. Równowaga oczywiście stała i żadnych prądów pionowych.
Typowe zachmurzenie, charakterystyczne dla frontu ciepłego pokazuje rysunek 14.
Jeżeli na chwilę powrócimy do wykładu o masach powietrza i przyjrzymy się rysunkowi 9c - zobaczymy, że teraz możemy dokładnie określić pogodę w całym układzie pokazanego tam niżu - kolejno przez wszystkie jego wycinki - chłodny odchodzący, ciepły i chłodny następujący.
W przypadku, kiedy front chłodny dogoni front ciepły i doganiające powietrze chłodne jest chłodniejsze od ustępującego przed frontem ciepłym powietrza chłodnego, mamy do czynienia z okluzją chłodną. Powierzchnie frontów nakładają się na siebie w ten sposób, że powierzchnia frontu chłodnego napierającego cały czas zostaje w kontakcie z podłożem i wypycha stopniowo do góry powierzchnię frontu ciepłego powodując powstanie jednocześnie obu właściwych zachmurzeń - z frontu ciepłego i z frontu chłodnego. Pokazuje to rysunek 15.
W przypadku, kiedy front chłodny dogoni front ciepły i doganiające powietrze chłodne jest cieplejsze od ustępującego przed frontem ciepłym powietrza chłodnego, mamy do czynienia z okluzją ciepłą. Powierzchnie frontów nakładają się na siebie w ten sposób, że powierzchnia frontu chłodnego napierającego wślizguje się po powierzchni frontu ciepłego tracąc kontakt z podłożem i wypychając w coraz mniejszym stopniu do góry wycinek ciepły układu. Właściwe dla tej sytuacji zachmurzenie pokazuje rysunek 16.
Oczywiście na przedstawionych rysunkach jest pokazany charakterystyczny układ chmur jakiegoś konkretnego wypadku okluzji, a to, co w rzeczywistości możemy zobaczyć na niebie, może się w każdym przypadku poważnie różnić - zostaje tylko zasada, a intensywność wystąpienia zachmurzenia zależy od stopnia nawilgocenia mas powietrza, od tego czy układem był niż czy wyż, i od prędkości przesuwania się wszystkich mas biorących udział w zjawisku okluzji.
Dotyczy to wszystkich pokazanych tu na kolejnych rysunkach zachmurzeń typowych dla każdego z frontów. Oczywiście temat omówiony w tym rozdziale jest przedmiotem wielusetstronicowych publikacji i dlatego u nas jest on poruszony bardzo skromnie, ale prezentowane tu obowiązujące i ogólnie znane fizyczne zasady ruchu mas powietrza pozwalają w każdym szczególnym przypadku na wyobrażenie sobie z jakimi chmurami i w jakiej kolejności występowania będziemy się spotykać.