Alicja Jankowska, Energetyka24: Czym jest huragan?

Dr Artur Szkop, Zakład Fizyki Atmosfery w Instytucie Geofizyki Polskiej Akademii Nauk: Huragan jest rodzajem niżu, ale nie każdy silny niż jest huraganem. Huragan to specyficzny rodzaj wiru, a konkretnie jest to maszyna cieplna. Czerpie swoją energię, transportując ciepło między dwoma zbiornikami ciepła. Jednym z tych zbiorników jest powierzchnia rozgrzanego oceanu. Drugim jest niska stratosfera. Huragan jest więc taką pompą, która transportuje energię z oceanu w górę.

(Pod niektórymi wypowiedziami przedstawiamy pisane kursywą pochodzące od redakcji dodatkowe wyjaśnienia niektórych pojęć i procesów, by ułatwić zrozumienie powstawania zjawiska, jakim jest huragan: maszyna cieplna to inaczej silnik termodynamiczny, czyli urządzenie, które zmienia energię termiczną w energię mechaniczną, przenosząc ciepło z miejsca o wyższej temperaturze do miejsca o niższej temperaturze.)

Kiedy huragan może powstać?

Musi wystąpić kilka czynników jednocześnie. Żeby w ogóle można było mówić o warunkach do powstania huraganu, musi przede wszystkim zaistnieć odpowiednio duża różnica temperatur pomiędzy powierzchnią morza (do głębokości co najmniej 50 m ) a stratosferą.

Temperatura w stratosferze zmienia się w niewielkim stopniu. Utrzymuje się na poziomie około minus 75-80°C. Głównym czynnikiem, który determinuje czy huragan może powstać, jest więc temperatura powierzchni morza. Przyjmuje się, że 26-27°C to jest granica, poniżej której w oceanie nie ma dostatecznie dużo energii, aby huragan mógł powstać, nawet jeżeli pozostałe warunki są sprzyjające.

Mogą oczywiście wystąpić nietypowe sytuacje, gdy stratosfera się ochłodzi na tyle, że wystarczy niższa temperatura powierzchni morza do osiągnięcia odpowiedniej różnicy temperatur. W większości przypadków typowym momentem, w którym zaczynają powstawać huragany, jest jednak 26-27°C.

Może wydawać się, że nie są to zbyt wysokie temperatury, ale w rzeczywistości takie występują właściwie w rejonach tropikalnych. Średnio na całej planecie temperatura morza jest o około 10 stopni niższa. Huragany formują się więc raczej w specyficznych obszarach.

Co jeszcze jest potrzebne?

Huragan nie może powstać w dowolnym miejscu. Aby mógł powstać wyż lub niż, czyli obracający się układ baryczny, potrzebna jest siła Coriolisa. Gdyby jej nie było, to obszar niskiego ciśnienia, natychmiast wypełniłby się napływającym ze wszystkich stron powietrzem, i szybko by zniknął. Tak dzieje się na przykład na równiku i na biegunach. W przypadku braku siły Coriolisa niże są bardzo krótkotrwałe i nie wiążą się ze specjalną dużą prędkością wiatru.

Technicznie rzecz biorąc, siła Coriolisa rośnie w miarę oddalania się od równika aż do biegunów. W okolicach bieguna nie jest jednak efektywna dla tworzenia systemów barycznych głównie ze względu na makroskalowe opadanie powietrza w tych rejonach. W praktyce działa więc efektywnie tylko od zwrotników do niskich szerokości polarnych – na tym obszarze jest ona dość duża. Siła ta powoduje, że w układzie niżowym powietrze zaczyna „skręcać” i poruszać się po rozbudowanej spirali.

W jaki sposób? Jeżeli na obracającej planecie jednocześnie porusza się jakaś „wycinek” powietrza, to zaczyna działać na niego prostopadła do tego ruchu siła Coriolisa – czyli powietrze zaczyna skręcać. W przypadku niżu na półkuli północnej powietrze zaczyna poruszać się do rdzenia niżu, ale siła Coriolisa sprawia, że zaczyna ono skręcać odwrotnie do ruchu wskazówek zegara. Na półkuli południowej – skręcanie odbywa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W związku z tym powietrze, zamiast po prostu trafić do jądra niżu, to zaczyna poruszać się w bardzo rozbudowanej spirali.

W wyniku tego efektu – poruszania się powietrza po spirali w wyniku działania siły Coriolisa – niże mogą utrzymywać się przez długi czas na średnich szerokościach geograficznych. W ten sposób powietrze musi pokonać bardzo długą drogę, zanim „dotrze” do środka niżu i wypełni rdzeń cyklonu. Podobnie działa to w przypadku wyżów barycznych.

Jaki jest kolejny czynnik niezbędny do powstania huraganu?

Do zainicjowania huraganu potrzebny jest gradient ciśnień przy powierzchni Ziemi, na niskich wysokościach. To tam się zaczyna ten ruch cykloniczny – musi więc wystąpić jakieś zaburzenie w dolnej troposferze.

Zazwyczaj huragan jest inicjowany przez rozbudowany układ burz tropikalnych. W przypadku huraganów atlantyckich dzieje się to zazwyczaj na zachodnim brzegu Afryki – nie na równiku, ale w pobliżu Zwrotnika raka. To jest właśnie kolebka, gdzie rodzą się huragany.

W takich rozbudowanych układach burzowych często może pojawić się ruch wirowy. Nie jest to jedyna „metoda”. Może to być także załamanie na fali tropikalnej w atmosferze.

Jak więc powstaje huragan atlantycki krok po kroku?

Kiedy na zachodnim brzegu Afryki, w pobliżu Zwrotnika Raka, pojawi się niż, zaczyna się on wypełniać powietrzem i obracać odwrotnie do ruchu wskazówek zegara. W sprzyjającej sytuacji wystąpi również zaburzenie na górze – np. załamanie na fali tropikalnej czy układ burzowy. Jeśli „zgra się” to, co dzieje się na górze i na dole, „włącza się” silnik termodynamiczny, który napędza huragan.
dr Artur Szkop w rozmowie z Energetyką24

Jak „działa" huragan?

Powietrze, poruszające się w stronę środka niżu, obniża swoje ciśnienie (ponieważ wewnątrz niżu jest niższe ciśnienie niż na zewnątrz – przyp. Energetyka 24). Jeśli ciśnienie powietrza spada, powinna również spadać jego temperatura, ponieważ gaz, który się rozpręża, stygnie.

Jeśli ciśnienie gazu się zmniejsza, to gaz się rozpręża, czyli zwiększa swoją objętość. Cząsteczki mogą poruszać się wtedy wolniej, więc temperatura układu spada, o ile z zewnątrz nie jest dostarczana energia do układu.

Temperatura powietrza jednak nie spada, ponieważ cały czas jest pobierana energia – w postaci ciepła) z rozgrzanej powierzchni oceanu, która jest tym zbiornikiem ciepła o wyższej temperaturze, dzięki któremu silnik termodynamiczny działa. W efekcie mamy do czynienia z przemianą izotermiczną, czyli zachodzącą w stałej temperaturze. Ciśnienie spada, temperatura się nie zmienia – gdy powietrze dotrze do rdzenia huraganu, czyli obszaru wokół oka, następuje jego unoszenie do góry.

W czasie przemiany izotermicznej – zachodzącej w stałej temperaturze – jeśli ciśnienie spada, to zwiększa się objętość gazu, co można zaobserwować na poniższym wykresie.

Jeżeli objętość substancji (tutaj: powietrza) się zwiększa, a nie zwiększyła się jego masa, to musiała się zmniejszyć gęstość, przez co takie powietrze unosi się do góry, co można wywnioskować ze wzoru na gęstość:

W momencie gdy powietrze unosi się do góry, zaczyna się rozprężać. Dodatkowo powietrze to jest wysycone wodą (pierwotnie było to ciepłe, wilgotne powietrze pochodzące znad powierzchni oceanu – przyp. Energetyka24), ma zasadniczo 100 proc. wilgotności. I teraz co się dzieje, kiedy zaczyna nagle się rozprężać i spadać temperatura? Para wodna nie jest w stanie „pomieścić się” w tym powietrzu, skrapla się i następuje opad.

Taki opad sprawia, że powietrze się ogrzewa. Jest to może trochę nieintuicyjne, posłużę się więc odwrotnym przykładem, czyli poceniem się. Człowiek poci się po to, aby woda odparowująca z powierzchni skóry ochłodziła organizm – gdy woda zamienia się z cieczy w gaz, to pochłania energię cieplną z otoczenia. Siłą rzeczy działa także odwrotny efekt. Jeżeli następuje skroplenie się wody, czyli para wodna zmienia się w kropelki, to oddaje nadmiar energii w postaci ciepła (i ogrzewa powietrze w swoim otoczeniu – przyp. Energetyka24). To jest również proces, który napędza typową burzę, taką jak w naszych szerokościach geograficznych.

Gaz ma wyższą energię niż ciecz, a cząsteczki poruszają się w stanie gazowym szybciej. Przy przemianie gazu w ciecz tę energię – w postaci ciepła – gaz oddaje, a cząsteczki w cieczy poruszają się wolniej.

Gdy para wodna skrapla się, pojawia się dodatkowa energia, która jeszcze bardziej napędza proces, wokół robi się cieplej, jeszcze bardziej rośnie siła wyporu i powietrze wędruje do góry. Tylko w przypadku burzy w naszych szerokościach geograficznych ilość energii jest jednak skończona i w końcu się wyczerpie. W danym miejscu będzie zgromadzone trochę ciepłego, wilgotnego powietrza, które wzniesie się do góry, skropli się, do pewnego momentu będzie napędzać burzę, aż się wyczerpie.

W przypadku huraganu jest to efekt powtarzalny ze względu na obecność ciepłego oceanu, który wciąż dostarcza energię. Powietrze zaczyna być zasysane do wnętrza, tam się izotermicznie ogrzewa, następnie jest unoszone do góry. Tam następuje przemiana fazowa i bardzo silny opad – wokół oka cyklonu mamy gigantyczne sumy opadów. Następie na górze, gdy powietrze dotrze do stratosfery, ponownie rozchodzi się na zewnątrz i następuje sprężanie gazu, gdy ciśnienie wzrasta ponownie do takiego, jakie występuje w okolicy huraganu.

Cykl się powtarza – huragan powoli się przesuwa, cały czas ma dostęp do odpowiednio ciepłego oceanu, cały czas zasysa nowe powietrze, które dostaje się do środka, unosi, wytwarza opad i rozchodzi się górą. Ciepła powierzchnia oceanu stale dostarcza energię maszynie cieplnej, jaką jest huragan, dzięki parowaniu z powierzchni oraz skraplaniu pary wodnej z powietrza w postaci opadu. Dlatego w odróżnieniu od burzy, znanej z naszych szerokości geograficznych, która trwa godziny, huragan może trwać całe tygodnie.

To wciąż jest przybliżony i uproszczony opis tego, jak działa huragan. Podsumowując, jest to maszyna cieplna, która przenosi ciepło z powierzchni oceanu do stratosfery. Bardzo istotną częścią tego procesu jest dostęp do bardzo wilgotnego powietrza i występowanie opadu we wnętrzu huraganu.

Więc to opady mogą być nawet bardziej niebezpieczne niż wiatr?

Tak, ta właściwość sprawia, że huragany są nierozerwalnie związane z bardzo dużymi sumami opadów. I często jest tak, że jeśli huragan dotrze do lądu, to większe zniszczenia na lądzie wynikają z tych opadów niż z siły wiatru. Oczywiście, jeśli domy są zbudowane ze słabych materiałów, tak jak na Jamajce czy w Stanach Zjednoczonych, to silny huragan te domy zniszczy. Ale nawet przy słabszych huraganach i przy lepszym budownictwie nadal jest problem, że mamy gigantyczne sumy upadów rzędu nawet setek milimetrów w ciągu doby i po prostu nie ma szans, żeby układ przeciwpowodziowy czy burzowe kanały były w stanie odprowadzić tak dużą ilość wody. Stąd też na przykład powódź w Nowym Orleanie podczas huraganu Katrina w 2005 r.

Od czego zależy trasa huraganu?

Huragan czerpie energię tak naprawdę bardzo lokalnie, więc to, jak huragan się porusza, w większości przypadków zależy nie od samego huraganu, tylko od globalnej cyrkulacji atmosferycznej.

Można powiedzieć, że huragan jest jak gdyby uwięziony w przepływie powietrza i razem z nim się porusza. Oznacza to, że możemy często prognozować, którędy będzie przemieszczał się huragan obserwując ruchy powietrza w skali synoptycznej, czyli niże i wyże otaczające ten obszar.

Przykładem może być niedawny huragan Melissa (pod koniec października uderzył Jamajkę, Dominikanę, Haiti i Kubę – przyp. Energetyka24). W tym przypdaku prognozy jego trasy dosyć dobrze się sprawdziły. W pewnym momencie na jego trasie nastąpił nagły skręt o 90 stopni na północ – poruszał się na zachód, zatrzymał się i skierował na północ. W zasadzie większość modeli, które widziałem, przewidziały taki przebieg trasy. Niezwykłe w tym huraganie było coś innego.

Co takiego?

Wyjątkowe było to, jak szybko zwiększył swoją energię. Jeśli chodzi o Atlantyk, można powiedzieć, że zaliczał się do rekordowych.

Niektóre huragany potrafią bardzo szybko się wzmacniać, inne w pewnym momencie wygasnąć. Huragany bardzo nie lubią zjawiska zwanego ścinaniem wiatru (inaczej uskok wiatru, ang. windshear). Jak już wspomniałem, huragan z dołu zaciąga powietrze, a górą je wyrzuca. Wiatr w dolnej i górnej atmosferze może się różnić – np. prędkością czy kierunkiem. Załóżmy, że w dolnej warstwie atmosfery wiatr wieje na zachód, a w górnej na wschód. W tym momencie pionowy rdzeń huraganu jest rozrywany, co silnie osłabia huragan. Przy dużych różnicach prędkości wiatru na różnych wysokościach – czyli właśnie ścinaniem wiatru – huragan w ogóle nie może się uformować.

Więc nawet jeżeli są idealne warunki na dole – ocean jest bardzo ciepły i powstał system burzowy, który mógłby zainicjować huragan, to jeżeli występuje silne ścinanie wiatru, huragan się nie utworzy, ponieważ zanim mógłby się uformować jego rdzeń, zostanie on rozerwany przez uskok wiatru na wyższych wysokościach.

Uskok wiatru to zmiana prędkości wiatru związana ze zmianą jego kierunku, może być pionowy lub poziomy.

Co wydarzyło się w przypadku Melissy?

W przypadku huraganu Melissa, gdy znajdował się on jeszcze na południe od Jamajki i wędrował w kierunku zachodnim, wciąż był to huragan dość słaby, ponieważ w atmosferze występowało stosunkowo silne ścinanie. Huragan był jeszcze w stanie się uformować, ale nie mógł nabrać mocy, ponieważ był rozwiewany w górnej troposferze. W pewnym momencie zmieniła się sytuacja synoptyczna. Globalny przepływ atmosferyczny znacznie spowolnił i huragan zatrzymał się na południe od Jamajki, a następnie znacznie się osłabił. Jednakże jednocześnie w krótkim czasie osłabło także ścinanie wiatru.

Ilość energii w oceanie była wówczas olbrzymia, temperatura wody była bardzo wysoka. Jedyne, co blokowało wcześniej ten huragan, to ścinanie wiatru. Gdy nagle ustało, w ciągu 48 godzin Melissa wzmocniła się aż do 5., najwyższej kategorii huraganów. W skali Saffira-Simpsona oznacza to huragan, podczas którego wiatr wieje z prędkością co najmniej 252 km/h przez co najmniej minutę. W takiej właśnie postaci uderzył w Jamajkę i spowodował ogromne zniszczenia. Tak silne huragany występowały już na Atlantyku, ale zwykle nie docierały na ląd.

Jest jeszcze jeden czynnik, który sprawił, że huragan Melissa był wyjątkowy. Moc silnych huraganów bardzo często oscyluje – na przemian wzmacniają się i osłabiają. Wynika to ze zjawiska zwanego cyklem wymiany ściany oka (ang. eyewall replacement cycle, ERC). Polega on na tym, że to wyraźnie zdefiniowane oko huraganu rozmywa się, staje się zachmurzone i przestaje być tak dokładnie uformowane. Na zewnątrz tworzą się nowe ściany oka, przesuwają się do środka, a to oko wewnątrz zamiera – a dokładniej cyrkulacja pionowa w środkowej, wewnętrznej części oka zamiera. W czasie tego procesu huragan słabnie.

Prawie wszystkie huragany cyklicznie przechodzą proces wymiany ściany oka, dlatego właśnie ich siła naprzemiennie zwiększa i zmniejsza się. Dla jasności – złożoność procesów prowadzących do tego zainicjowania cyklu wymiany ściany oka huraganu jest tak jest tak duża, że tak naprawdę nie do końca wiemy w którym momencie ona nastąpi. Wiemy natomiast, że w przypadku Melissy taka wymiana nie zachodziła.

Wszystkie czynniki złożyły się idealnie – wyjątkowo dużo energii w oceanie, brak ścinania wiatru i brak cyklu wymiany ściany oka – by huragan Melissa stał się wyjątkowo silny i spowodował ponadprzeciętne zniszczenia na Jamajce.

Jak bardzo był silny?

Gradient ciśnienia, czyli różnica ciśnień między otoczeniem a środkiem oka huraganu, jest jedną z miar tego, jak silny jest huragan. W przypadku Melissy ciśnienie wewnątrz oka spadło poniżej 900 hPa (minimalne wyniosło 892 ha, był to jeden z najsilniejszych huraganów odnotowanych na Ziemi – przyp. Energetyka24). To na Atlantyku zdarza się naprawdę bardzo rzadko. Silniejsze są tajfuny na Pacyfiku – tam się to zdarza, również niezbyt często, ale się zdarza. Na Oceanie Atlantyckim jest to sytuacja wyjątkowa.

900 hPa to różnica ponad 10 proc. w porównaniu z otoczeniem (standardowe ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza to 1013,25 hPA – przyp. Energetyka24), a to naprawdę gigantyczna różnica w skali około 100 km. Siła wymuszająca przepływ powietrza do środka huraganu jest więc też gigantyczna.

Oczywiście po przejściu przez Jamajkę huragan już osłabł, ponieważ został on odcięty od swojego dolnego źródła energii – powierzchni oceanu. Zazwyczaj w takim wypadku w ciągu kilkudziesięciu godzin maszyna cieplna przestaje całkiem funkcjonować i układ wygasa. Jamajka jest wyspą, więc Melissa wkrótce ponownie trafiła nad ocean i mogła znów się wzmocnić. Zniszczenia poczynione na Kubie nie były już jednak w aż takiej skali (Melissa uderzyła w nią jako huragan 3. kategorii).

Im większy jest gradient ciśnienia (ciśnienie wewnątrz rdzenia huraganu w stosunku do tego, które go otacza), tym szybciej powietrze porusza się po spirali. Im większy jest gradient ciśnienia (inaczej gradient wymuszający), czyli im większa jest różnica ciśnień, tym silniejszy będzie wiatr. Wyższa będzie też kategoria huraganu w pięciostopniowej skali Saffira-Simpsona, która zależy od prędkości wiatru. Dlatego też nasilniejsze huragany podawane są wraz z wartością ciśnienia w oku cyklonu.