O gradzie słów kilka

Opady gradu są odpowiedzialne za duże szkody na prawie każdym kontynencie naszej planety. Głównie dotykają rolników i sadowników, ponieważ nie potrzeba opadów gradu dużych rozmiarów, aby spowodować szkody w uprawach, drzewostanie i owocach rosnących na nich. Dzisiaj chcielibyśmy przybliżyć tematykę opadów gradu, które w Polsce występują każdego roku, są zjawiskiem bardziej lokalnym od samej burzy oraz potrafią być niebezpieczne. Dodatkowo na samym końcu prezentujemy ciekawą pomoc naukową, która pomoże przybliżyć tematykę opadów gradu i niebezpieczeństw jakie ze sobą niesie.

Ryc. 1. Gradziny spadłe z superkomórki burzowej w Pstrążnej (woj. śląskie), 19.06.2024

Grad to opad przezroczystych brył lodu o średnicy co najmniej 5 mm, które mogą mieć nieprzeźroczysty rdzeń i nieprzeźroczyste warstwowania. Grad powstaje z kryształków lodu obrastających w kolejne warstwy przechłodzonej wody, śniegu, krupy i innych gradzin z którymi zderza się wewnątrz komórki burzowej, będąc transportowanym przez prąd wstępujący zasilający komórkę. Grad ma warstwy, są one związane z mechanizmem jego powstania, kiedy to gradzina krąży wewnątrz komórki burzowej zamarza i rozmarza jednocześnie rosnąc i stając się ciężką bryłą lodu, która ostatecznie spada na ziemię, kiedy siła grawitacji przeważy energię prądu wstępującego. Czasami gradziny mogą być również wyrzucone poza obszar prądu wstępującego z powodu jego nagłego wzmocnienia się, co powoduje wyrzut gradzin, które nie są do końca rozwinięte.

Do powstania gradu potrzeba chmury Cumulonimbus, jąder kondensacji oraz najlepiej uskoków wiatru, czyli zmiany kierunku i prędkości wiatru wraz z wysokością. Chmura Cumulonimbus potrzebuje mechanizmu wyniesienia masy powietrza w postaci dużego gradientu pionowego temperatury w przyziemnych warstwach atmosfery lub innego wspomagania w postaci frontu atmosferycznego lub niżu. Chmura Cumulonimbus potrzebuje również wilgoci, która jest niesiona w masie powietrza oraz niestabilności, która określa potencjalną siłę prądu wstępującego w komórce burzowej. Jądra kondensacji pomagają w kondensacji pary wodnej i tworzeniu się chmur, towarzyszą również procesowi tworzenia się opadów gradu i innych opadów powstających z chmur.

Ryc. 2. Zaspy stworzone przez intensywne i długotrwałe opady gradu w Pstrążnej (woj, śląskie), 19.06.2024

Opady gradu w Polsce występują głównie w ciepłej porze roku (od kwietnia do końca września), najwięcej dni z opadami gradu notowanych jest w meteorologicznej wiośnie, kiedy wysokość izotermy 0°C jest niższa, co pozwala na tworzenie się opadów gradu w płytszych komórkach z uboższymi warunkami konwekcyjnymi. Opady gradu o dużej średnicy są natomiast zarezerwowane dla miesięcy letnich, kiedy niestabilność troposferyczna średnio jest najwyższa, co pozwala na silniejsze prądy wstępujące. Największą udokumentowaną zdjęciowo gradziną jest gradzina z Tomaszowa Mazowieckiego o średnicy 13,5 cm, spadła ona 24 czerwca 2021.

Ryc. 3. Rekordowa gradzina (13,5 cm średnicy) spadła w Tomaszowie Mazowieckim (woj. łódzkie), 24.06.2021, autorka: Magdalena Cecotka

Grad głównie pada z izolowanych komórek burzowych lub klastrów wielokomórkowych, rzadko kiedy obserwuje się opady gradu podczas przechodzenia rozległych układów burzowych, szczególnie układów MCS, gdzie grad jest spotykany głównie w fazie początkowej trwania układu oraz w okresach jego wzmacniania się. Grad, szczególnie o dużej średnicy pada z superkomórek burzowych, które odpowiadają za większość przypadków opadu gradu o średnicy powyżej 5 cm.

Grad o różnej średnicy powstaje w różnych warunkach i powoduje różne szkody, im większy jest grad i z im większą prędkością spada tym większa jego energia, mówią nam o tym podstawy mechaniki oraz wzór na Energię, gdzie rozróżniamy energię potencjalną i kinetyczną. Grad ma największą energię potencjalną wysoko w chmurze, wiemy to korzystając z wzoru na energię potencjalną (iloczyn masy, siły grawitacji i wysokości nad powierzchnią – tutaj powierzchnią ziemi), wraz z opadaniem gradziny energia potencjalna przechodzi w energię kinetyczną, która bezpośrednio przed uderzeniem o powierzchnię ziemi lub inny obiekt na swojej drodze osiąga swoje maksimum. Główną siłą jaka odpowiada za szkody związane z gradem jest w takim razie energia kinetyczna (połowa z iloczynu kwadratu prędkości i masy).

Opady gradu w zależności od rozmiaru powodują mniejsze lub większe szkody, poniżej przedstawiamy tabelę z rozmiarem gradziny, przedmiotem codziennego użytku lub przedmiotem, który jest podobny rozmiarowo do potencjalnej gradziny oraz z szkodami jakie potrafi spowodować.

*Na podstawie “HAIL Size Comparisons for ESWD Reports”

Możliwe jest prognozowanie opadów gradu na podstawie parametrów konwekcyjnych troposfery, wiemy obecnie jakie warunki termodynamiczne i kinematyczne faworyzują opady dużego gradu, aczkolwiek badania naukowe wskazują na to, że w niektórych przypadkach grad powstaje w wyniku warunków lokalnych i w wyniku oddziaływań pomiędzy komórkami burzowymi. Pierwszy z brzegu przykład pokazujący jak lokalne warunki wpływają na opady gradu jest silne gradobicie z okolic Gorzowa Wielkopolskiego z 11.06.2019, gdzie w wyniku łączenia się kilku komórek i superkomórek burzowych w ekstremalnie niestabilnej masie powietrza (parametr MU CAPE przekraczał 4500 J/kg) spadały z nieba gradziny o średnicy 10 cm, a dodatkowo prąd wstępujący został chwilowo wzmocniony przez wyniesienie terenu (północny kraniec pradoliny polodowcowej).

Gdyby wykluczyć warunki lokalne i oddziaływania pomiędzy komórkami. grad do osiągnięcia dużych rozmiarów potrzebuje silnego prądu wstępującego wewnątrz komórki burzowej, a do jego powstania potrzeba odpowiedniego zgrania niestabilności troposfery z uskokami troposfery o odpowiednich wartościach, muszą być one wyważone, aby prąd wstępujący nie był za silny lub za słaby. Ważnym czynnikiem jest również mała ilość wilgoci w warstwie rozrostu gradu. W przyziemnej warstwie troposfery nie może występować duża niestabilność w połączeniu z silnym uskokiem wiatru, musi występować jedno albo drugie, inaczej opady dużego gradu mogą nie wystąpić. W przypadku występowania ekstremalnych wartości niestabilności atmosfery rzędu 4000 J/kg MU CAPE prądy wstępujące są ekstremalnie silne i rozbudowane na tyle, że burza superkomórkowa powstała w takich warunkach jest zdolna do generowania każdego typu zagrożenia burzowego, w tym do generowania opadów bardzo dużego gradu.

Oprócz prognoz wyprzedzających potencjalnie groźne opady dużego gradu mamy możliwość teledetekcji opadów gradu z użyciem radarów meteorologicznych. Na stronie IMGW w zakładce z mapami radarowymi znajduje się produkt ZHAIL, który jest parametrem kompozytowym odczytu radaru meteorologicznego, który określa prawdopodobieństwo wystąpienia gradu z danej komórki burzowej. Poza parametrem ZHAIL, przy komórkach burzowych występujących w lecie, których odbiciowość przekracza 60-63 dBZ dla skanu CMAX zazwyczaj notuje się opady gradu. Poza zwykłymi odczytami z radarów meteorologicznych czasami pojawia się błąd związany z opadami gradu o dużej średnicy o nazwie TBSS (ang. Three Body Scatter Spike). Jest to struktura radarowa slangowo nazywana “kolcem gradowym”, powstaje w wyniku zakłócenia trasy wiązki radaru. Wiązka odbija się od gradzin i rozprasza się, następnie odbija się od ziemi w kierunku gradzin, która następnie odbijając się po raz trzeci wraca z opóźnieniem do anteny radaru generując opóźnione echo, powodując przesunięcie echa w wizualizacji skanu radarowego.

Ryc. X. Grafika przedstawiająca wygląd TBSS na radarze (po lewej stronie), źródło: @NWSILN (X/Twitter)

Pod poniższymi linkami prezentujemy mały projekt zrealizowany przez Jakuba Wyrwasa, który jest pigułką wiedzy z tabeli rozmiaru gradu i szkód jakie potrafi spowodować, jest to Karta Wielkości Gradu. Projekt ten został przygotowany z myślą o wydrukowaniu, dlatego strona jest wyskalowana do rozmiaru kartki A4, przez co po wydrukowaniu kółko z podpisem “10 cm” będzie faktycznie mieć 10 cm, tak samo pozostałe podpisane kolejno jako 7 cm, 5 cm, 3 cm i 2 cm. Postaraliśmy się również o wersję przyjazną dla drukarek.

Wersja zwykła:

https://drive.google.com/file/d/1VdYEUK-StKMRnoEz9KGn6RdcZMlx9PK4/view?usp=sharing

Wersja przyjazna dla drukarek:

https://drive.google.com/file/d/1ftYAbwdavH0wOEA_RCaYe6xmkCwTW1ps/view?usp=sharing

Udanych obserwacji i bądźcie bezpieczni!