Opady atmosferyczne

Drzewa rosnące w dolinie, za nimi znajdują się góry (Photofactory)

 

Opady

Opady atmosferyczne to uwolnienie się wody z chmur w postaci deszczu, deszczu ze śniegiem, śniegu lub gradu. Jest to podstawowy sposób powrotu wody na Ziemię.

 

Jak tworzą się kropelki deszczu?

Chmury przepływające nad naszymi głowami zawierają parę wodną. Kropelki wody w chmurach są jednak zbyt małe, by mogły spaść na ziemię w postaci deszczu, ale dostatecznie duże, aby dostrzec je jako chmury. W powietrzu nieustannie przebiega proces parowania i kondensacji wody. Jeśli znaleźlibyśmy się bardzo blisko chmury, moglibyśmy dostrzec, że pewne jej części znikają (w procesie parowania), a inne rozbudowują się (w procesie kondensacji). Przeważająca część wody skondensowanej

w chmurach nie spada jednak na ziemię za sprawą pionowych prądów wznoszących, utrzymujących małe cząsteczki wody w powietrzu. Zanim zacznie padać deszcz, maleńkie drobinki wody zderzają się i łączą ze sobą. Powstałe w ten sposób cząsteczki stają się w końcu na tyle duże i ciężkie, że mogą już opuścić chmurę. Potrzeba milionów takich cząsteczek wody, aby utworzyć jedną kroplę deszczu.

 

Ulewny deszcz padający na ulicę, po której idzie dwójka przechodniów. W tle są parasole i ogródki piwne (Photofactory)

 

Nierównomierny rozkład opadów w przestrzeni i czasie

Opady w różnych częściach świata różnią się wielkością i intensywnością. Nawet w granicach jednego miasta mogą występować spore różnice. Na przykład podczas letniej burzy na jednej z ulic będzie lało, podczas gdy
w promieniu kilku kilometrów wokół, opady nie wystąpią w ogóle. Światowy rekord sumy średniego rocznego opadu deszczu wynoszący 11 400 mm (11,4 m!) należy do Mount Waialeale na Hawajach, gdzie zresztą pada przez 350 dni w roku! Dla porównania, wyjątkowo niskie opady występują w Arica w Chile, gdzie przez 14 lat nie spadła ani jedna kropla deszczu.

Mapa pokazuje średnie roczne opady na świecie (w milimetrach). Jasnozielonym kolorem oznaczono obszary „pustyń”. Widzimy, że Sahara jest pustynią, ale czy przypuszczaliście, że większa część Grenlandii
i Antarktydy to również pustynie?

 

Mapa obrazująca wysokość średnich rocznych opadów w różnych częściach świata Średni roczny opad w milimetrach (Photofactory)

 

Czy krople deszczu mają kształt łez?

W kulturze masowej kropla deszczu najczęściej przedstawiana jest jako łza. Ta artystyczna wizja w istocie niewiele ma wspólnego z prawdą. To jedynie popularne wyobrażenie, wynikające często z obserwacji kropli deszczu, które rozbiły się na szybie, przez co zresztą straciły swój pierwotny kształt. Praktycznie każdy, od reklamodawców do ilustratorów bajek dla dzieci, przedstawia krople deszczu w kształcie łez, kiedy tak naprawdę małe krople
o promieniu poniżej 1 mm są kuliste, a te większe przybierają kształt hamburgera. Kiedy ich promień jest większy niż około 4,5 mm, zostają gwałtownie zdeformowane, przypominając kształtem spadochron. Zaraz potem rozpadają się na mniejsze krople.

 

Owa niezwykła ewolucja ma swoje źródło w swoistym „przeciąganiu liny” pomiędzy dwiema siłami: napięciem powierzchniowym wody oraz ciśnieniem powietrza, wywierającym nacisk na spadającą kroplę od dołu. Kiedy kropla jest mała, napięcie powierzchniowe wygrywa i kropla zachowuje kształt kulisty. Wraz ze wzrastającym rozmiarem, zwiększa się prędkość spadania, a ciśnienie powietrza działające na spodnią część kropli powoduje jej spłaszczenie, bądź nawet wklęśnięcie. Wreszcie, kiedy promień kropli przekracza 4 mm, wklęsłość rośnie niemal w wybuchowym tempie, tworząc torebkę z pierścieniowatą otoczką wody, co w rezultacie prowadzi do rozerwania kropli na mniejsze części. 

 

Rysunki przedstawiają różne kształty kropel deszczu. Najmniejsze są okrągłe, dwumilimetrowe lekko spłaszczone, trzymilimetrowe są wklęśnięte od dołu, a większe niż 4,5 mm rozpadają się na mniejsze kro (Photofactory)

 

Dlaczego krople deszczu są różnej wielkości?

Nauka wykazuje nam, że jedno pytanie często prowadzi do następnego lub wielu innych. Zanim omówimy różne wielkości kropli deszczu, musimy zrozumieć, czym w ogóle ona jest, jak powstaje, a w końcu, jakie maksymalne rozmiary może osiągać?

 

Nie ma deszczu bez chmury – chmura zaś utworzona jest z pary wodnej znajdującej się w powietrzu. Oprócz wody, w powietrzu występują małe cząsteczki nazywane jądrami kondensacji – na przykład cząstki soli pozostałe po wyparowaniu wody morskiej lub też cząsteczki kurzu czy sadzy. Kondensacja zachodzi, kiedy para wodna „owija się” wokół tych drobinek. Każda cząsteczka otoczona przez wodę staje się mikroskopijną kropelką o średnicy raptem od 0,001 do 0,05 mm. Cząsteczki różnią się rozmiarami, stąd też różne są początkowe wielkości mikrokropelek. Owe kropelki są jeszcze zbyt małe i zbyt lekkie, aby spaść z nieba. Kiedy i w jakich okolicznościach zatem opadają?

 

Wirujące chaotycznie mikrokropelki w chmurze zderzają się ze sobą. Gdy jedna kropelka wpadnie na drugą, większa wchłania, „zjada” tę mniejszą. Ta nowa kropelka wpada na kolejne mniejsze kropelki i „pożerając” je, staje się jeszcze większa. Proces ten nazywa się koalescencją. Wkrótce kropla stanie się tak ciężka, że chmura nie będzie w stanie jej już dłużej utrzymać.

 

Zacznie więc spadać. Jednak w czasie swej podróży ku Ziemi nie próżnuje
i „zjada” kolejne kropelki. Możemy mówić o prawdziwej, „dorosłej” kropli deszczu, kiedy osiągnie ona średnicę 0,5 mm lub więcej. 
Kropla będzie dalej spadać, aż dotrze do gruntu. Jednak podczas spadania wiatr (prąd wstępujący) może spłatać jej figla i jednym solidnym podmuchem cofnąć kroplę do chmury, gdzie będzie ona dalej „pożerać” inne kropelki, rosnąć w siłę i dzielić się na mniejsze. Gdy krople w końcu spadną, największymi z nich będą te, które wchłonęły najwięcej sąsiadek. Jak wynika z powyższego, wpływ na ostateczną wielkość kropli deszczu ma początkowa wielkość cząsteczek zwanych jądrami kondensacji oraz tempo koalescencji.

 

Krokusy pokryte kroplami padającego deszczu (Photofactory)

 

Po dotarciu na Ziemię, krople deszczu albo przesączają się do gruntu, albo też spływają do rzek i jezior. Wpływ na to, co dzieje się z opadami deszczu, ma wiele czynników:

  • wielkość opadów – obfite opady w krótkim okresie nie są w stanie wsiąknąć do gleby, wobec czego woda spływa po jej powierzchni do cieków wodnych;
  • topografia terenu, czyli jego ukształtowanie: wzgórza, doliny, góry, kaniony – woda spadająca na nierówny teren spływa w dół, po czym staje się częścią cieku wodnego, gromadzi się w zagłębieniach podobnie jak jeziora lub po prostu wsiąka w ziemię;
  • warunki glebowe – tam gdzie ziemia jest bogata w glinę, przez którą deszczowi trudno się przesączyć, większość opadu spływa lub gromadzi się w zagłębieniach; natomiast w przypadku gleb piaszczystych na bardziej pustynnych obszarach woda jest szybko wchłaniana, przynajmniej początkowo;
  • roślinność – od dawna wiadomo, iż bujna roślinność spowalnia przepływ wody, dzięki czemu gleba jest chroniona przed wymywaniem; kiedy natomiast przyjrzeć się nagim, skalistym wzgórzom, widać wąwozy wyryte w nich przez spływającą wodę;
  • stopień urbanizacji – podczas rozbudowy miasta mnóstwo pieniędzy
    i pracy wkłada się w usuwanie wody z terenów pod zabudowę; drogi, chodniki i parkingi tworzą obszary nieprzepuszczalne; woda wędruje więc do strumieni i cieków, które często nie są w stanie jej pomieścić, co prowadzi do podtopień okolicznych terenów.
Ciąg samochodów jedzie  zaśnieżoną ulicą w zamieci śnieżnej Woda dociera na ziemię także pod postacią śniegu (Photofactory)