Ekstremalne zjawiska atmosferyczne i ich skutki

Cele:
Uczeń:

- wymienia przykłady ekstremalnych zjawisk atmosferycznych;
- wyjaśnia przyczyny powstania niektórych ekstremalnych zjawisk atmosferycznych;
- rozumie znaczenie systemu informacyjnego GIS.

Treści przedstawiane na lekcji:
Opad nawalny, potocznie "oberwanie chmury", to niezwykle silny i krótkotrwały opad deszczu. Towarzyszy chmurze burzowej Cumulonimbus. Sercem tej chmury jest silny prąd wstępujący, w którym prędkość pionowa może dochodzić nawet do 40 m/s. Podczas wnoszenia masy powietrza w górę, kondensuje w niej para wodna, a powstałe krople wody rosną do rozmiarów kropel deszczowych. Prędkość opadania kropel zależy od ich średnicy. Jeżeli prędkość ta jest mniejsza od prędkości prądu wstępującego, to krople zamiast spadać są unoszone do góry. Na pewnej wysokości prędkość prądu wstępującego zaczyna maleć i następuje akumulacja coraz większej ilości wody opadowej, która zaczyna spadać w postaci ulewnego deszczu.
Opady nawalne nie pokrywają wielkich obszarów, ale ilość wody, która spada w nich na ziemię, może sięgać kilkudziesięciu mm w ciągu paru minut. Może to prowadzić nawet na niewielkim obszarze do zalania niżej położonych rejonów, a w niekorzystnej sytuacji, gdy znajduje się tam zlewnia potoku czy rzeczki, do gwałtownego przyboru wody i powodzi.
Paradoksalnie powodzie błyskawiczne są niebezpieczne także w terenie pustynnym. Jeśli wystąpi tam silny opad konwekcyjny, to ze względu na brak pokrycia roślinnością, która zatrzymuje znaczną część wody, spływ wody w dół zlewni jest bardzo szybki nawet przy niewielkim nachyleniu terenu, a fala powodziowa może błyskawicznie, z prędkością kilkudziesięciu km na godzinę, przemieścić się na odległość kilkunastu i więcej km, pojawiając się w miejscu, gdzie opadu nie było od lat.

Mechanizm powstawania gradu jest podobny do mechanizmu powstawania opadu nawalnego. Strefa akumulacji wody w chmurze występuje jednak w obszarze ujemnych temperatur, dlatego też krople opadowe zamarzają, a na początkowo małych gradzinach osadzają się kolejne warstwy wody przynoszonej z niższych wysokości. Jeżeli prąd wstępujący nie jest skierowany pionowo do góry, a meandruje, to gradziny, które wypadły z górnych obszarów prądu wstępującego, mogą spadając dostać się znowu w obszar ruchów wstępujących i rosnąć w kilku cyklach takiego procesu. Przy ekstremalnie dużych prędkościach wznoszenia może wówczas powstać grad o ziarnach o rozmiarze wiśni, śliwek, czy nawet piłek tenisowych. Tak wielkie cząstki opadowe spadają z wielką prędkością i mogą poczynić wielkie spustoszenia na powierzchni Ziemi.

Tornado jest zwane także trąbą powietrzną. Jest bardzo gwałtownym zjawiskiem atmosferycznym. Choć powszechnie występowanie tornada kojarzy się z preriami Ameryki Północnej czy wnętrzem kontynentu australijskiego, to jednak spotyka się je w wielu innych częściach świata, nie wyłączając Polski. Tornado to intensywny wir powietrzny sięgający powierzchni Ziemi, związany z komórką burzową. Często wewnątrz wiru obserwuje się charakterystyczną chmurę w kształcie lejka bądź wrzeciona, powstającą w wyniku kondensacji pary wodnej w obszarze obniżonego ciśnienia.
Mechanizm powstawania tornada nie jest jeszcze dobrze poznany, wiadomo jednak, że koniecznym warunkiem jego powstania jest znacząca zmienność kierunku bądź prędkości wiatru z wysokością (silny pionowy gradient prędkości wiatru). Ruch powietrza podczas tornada można sobie wyobrazić jako ruch wielkiego koła łopatkowego o poziomej osi i dużej prędkości obrotowej (przepływ o dużej wirowości). Jeśli wskutek rozwoju prądu wstępującego w komórce burzowej ruch powietrza zmieni kierunek, to powstanie wir, który - na skutek rozciągnięcia w pionie przez ruchy wznoszące - może sięgnąć powierzchni Ziemi i pojawić się tam jako tornado.
Rozmiar tornada najczęściej określa się na podstawie szerokości tzw. ścieżki zniszczeń na trasie wędrującego wiru; wynosi ona od kilku do kilkuset m, typowa szerokość - 50 m. Długość ścieżki waha się od kilku m do kilkuset km. Czas życia tornada jest też bardzo zróżnicowany, od kilku sekund do kilku godzin, a typowa prędkość jego przesuwania się wynosi 10-30 km/h, choć niemal stacjonarne czy wędrujące z szybkością 100 km/h trąby powietrzne nie należą do rzadkości. Intensywność tornada nie musi być związana z jego rozmiarem.
W celu określenia intensywności tornada korzysta się z tzw. klasyfikacji (skali) Fujity, wprowadzonej pod koniec lat 60. na podstawie licznych obserwacji. Tylko ok. 2% tornad przekracza stopień F-2, ale są one odpowiedzialne za 70% ofiar śmiertelnych spowodowanych przez tornada. W USA rocznie obserwuje się przeciętnie ok. 800-1000 tornad. Przypisuje się im w sumie ok. 80 zgonów i 1500 poważnych zranień. W Polsce tornada spotyka się rzadko (kilka rocznie) i mają one małą intensywność.

Cyklony tropikalne to potężne burze wirowe, przynoszące huraganowe wiatry i ulewne deszcze. Cały układ burzowy ma często około 800 kilometrów średnicy. W jego wnętrzu wieje silny wiatr, a chmury przemieszczają się spiralnie w kierunku centrum, zwanego okiem cyklonu. W samym oku, którego średnica wynosi około 25 kilometrów, panuje bezwietrzna i bezchmurna pogoda, jednak w jego otoczeniu piętrzą się ogromne zwały gęstych chmur, z których spadają największe w całym obszarze cyklonu ulewy. Prędkość wiatru jest tam także największa. Aby wichura uznana została za cyklon tropikalny, prędkość wiatru musi wynosić co najmniej 120 kilometrów na godzinę. Prędkości zanotowane wokół oka przekraczają 240 kilometrów na godzinę.
Cyklony są najczęstsze podczas lata, gdy powierzchnia morza nagrzana jest co najmniej do temperatury 27°C, a wilgotność powietrza jest wysoka. Najpierw powstaje niewielki obszar obniżonego ciśnienia nad tropikalnym morzem, w którym ciepłe i wilgotne powietrze szybko się wznosi. Gdy masy pary wodnej kondensują się, uwalniane są duże ilości ciepła, które dodatkowo napędzają wstępujący prąd powietrza. Wkrótce potem ze wszystkich kierunków zaczynają wiać wilgotne wiatry wirujące spiralnie wokół oka cyklonu. Gdy wiatr się nasila, zaczyna się cyklon tropikalny, który utrzymuje się do chwili, aż znajdzie się nad stałym lądem lub nad chłodnym morzem, co odcina dopływ ciepła i wilgoci.
Cyklony tropikalne tworzą się nad morzami, w wilgotnym, tropikalnym powietrzu, w jednej z dwóch stref położonych na północ i na południe od równika, najczęściej na przełomie lata i jesieni, co jest związane z najwyższą temperaturą powierzchni wód w tym okresie.
W cyklonie niszczycielskim czynnikiem jest wiatr. W najsilniejszych huraganach jego rekordowa prędkość, szacowana na podstawie ciśnienia w centrum przekracza 85 m/s (305 km/h).
Następnym czynnikiem zniszczeń jest opad. W chmurach cyklonów tropikalnych, zasilanych ciepłym i wilgotnym powietrzem, kondensują ogromne ilości wody i spora jej część wypada z chmur w postaci deszczu.
Kolejnym czynnikiem jest fala przypływowa spowodowana wiatrem oraz niskim ciśnieniem w centrum cyklonu. Wysokość fali może przekraczać 6 m; powoduje ona zatopienie niżej położonych obszarów.
Amerykanie wprowadzili skalę intensywności huraganów, tzw. skalę Saffira-Simpsona.
Najbardziej katastrofalnym cyklonem tropikalnym w udokumentowanej historii był cyklon, który w 1970 r. spustoszył Bangladesz. Nie ma dokładnych danych dotyczących liczby ofiar, ale ostrożne szacunki podają liczbę co najmniej 300 tys. zabitych, głównie w wyniku zalania nisko położonych terenów przez fale przypływu.
Straty spowodowane przez huragan Andrew na Bahamach i w południowo-wschodnich stanach USA w 1992 r. przekroczyły 30 mld dol. USA. Katastrofalny huragan Mitch zaatakował na jesieni 1998 r. Amerykę Środkową, powodując kilkanaście tysięcy ofiar śmiertelnych i kolosalne straty materialne, głównie na skutek katastrofalnych opadów i spowodowanych nimi osunięć ziemi oraz powodzi.
W większości krajów nawiedzanych przez cyklony tropikalne jednym z najważniejszych zadań służb meteorologicznych jest obserwacja i prognozowanie tych zjawisk.

Pożary lasów należą do najczęściej występujących klęsk żywiołowych. Ocenia się, że rocznie w wyniku pożarów lasów tropikalnych i z innych rejonów zostaje uwolnione do atmosfery 4,08 * 1015 t. węgla. Ponadto paląca się biomasa wytwarza fotochemiczny smog zawierający CO, NO_x, oraz różne węglowodory. Ta mieszanka powoduje uruchomienie procesów chemicznych generujących ozon. Podczas pożaru lasu płomień niszczy warstwę runa i ściółki, gleba zaś ulega destrukcji. Zniszczeniu ulega warstwa organiczna i częściowo zostaje wyjałowiona warstwa mineralna, powodując zagładę zbiorowisk grzybów, bakterii i fauny glebowej. Niszczenie wielu gatunków grzybów ma istotny wpływ na środowisko glebowe oraz przebieg procesów mikrobiologicznych i glebotwórczych decydujących o obiegu materii i przepływie energii w ekosystemie. Najczęstszą przyczyną pożarów lasów są wyładowania atmosferyczne. Od pioruna ulegają zapaleniu pojedyncze drzewa.

W ostatnim dziesięcioleciu katastrofalne wybuchy wulkanów występowały głównie na wyspach u wschodnich i południowo-wschodnich wybrzeży Azji, a także w Ameryce Środkowej, w tym na Małych Antylach. Wybuchy te pochłonęły ponad 1500 ofiar.
Spośród nich 80% zginęło w wyniku erupcji jednego wulkanu Pinatubo na Filipinach. Po 500-letnim okresie spokoju, w 1991 r. wystąpiły silne erupcje eksplozywne, które wzbiły chmurę popiołów do wysokości 40 km, doprowadziły do zapadnięcia wierzchołka wulkanu i powstania kaldery głębokości 600 m i średnicy 2 km.
W 1990 r. na Jawie wznowił działalność jeden z najniebezpieczniejszych wulkanów - Kelud, który w ciągu ostatnich sześciu wieków pochłonął ok. 15 tys. ofiar.
W 1993 r. doszło do erupcji wulkanu Mayon na filipińskiej wyspie Luzon. Wulkan wyrzucił popioły na wysokość 5 km, a lawiny i opady piroklastyczne, sięgające ok. 6 km od krateru, spowodowały śmierć 70 osób i obrażenia ponad 100. Popioły, potoki lawy i lahary zniszczyły drogi i pola uprawne.
Wulkan Merapi, który w XI w. przyniósł zagładę wysoko rozwiniętej cywilizacji jawajskiej, a potem jeszcze kilkakrotnie wywoływał tragiczne katastrofy, eksplodował w 1994 r. Popioły były wyrzucane na wysokość 10 km. Opady piroklastyczne objęły obszary położone w odległości 45 km od wierzchołka wulkanu. Wskutek laharów, lawin piroklastycznych i chmur gorejących zginęły 64 osoby, 43 zostały ciężko ranne; zniszczeniu uległo kilka wsi, spaleniu - 500 ha lasów. Ponad 6 tys. osób ewakuowano. W roku 2006 też był aktywny.

W Polsce jednym z największych naturalnych zagrożeń jest występowanie powodzi. Na południu Polski największe wezbrania występują w lecie, wywołują je długotrwałe deszcze w Karpatach i Sudetach. Powodzie letnie przeważają nad powodziami wiosennymi roztopowymi w dorzeczu Wisły – powyżej ujścia Wieprza w dorzeczu Odry – powyżej ujścia Warty.
Do największych w dorzeczu Wisły należy powódź z lipca 1934 r. Zalany został wówczas obszar około 170 tysięcy ha , zginęło 55 osób.
Największe opady dobowe w zlewni Dunajca w dniu 16 lipca tego roku wyniosły na stacjach : Witów- 285 mm, Poronin – 193 mm, Zalesie – 223 mm, powodując katastrofalne wezbranie na tej rzece.
Tragiczna w skutkach była powódź roztopowa w 1979 r. Wystąpiły długotrwałe niskie temperatury oraz obfite opady śniegu. Wysoki poziom wód gruntowych oraz głębokie przemarznięcie gleby spowodowały, że zdecydowana większość wód roztopowych spływała bezpośrednio do rzek.
W miesiącach czerwiec, lipiec, sierpień 1980 roku na obszarze całego kraju wystąpiły obfite opady w wyniku których, już na początku czerwca przekroczone zostały stany alarmowe na Kamiennej, Wieprzu, częściowo na Bugu oraz na dopływach Bobru i Nysy Łużyckiej, a od połowy czerwca na Noteci.
W wyniku niekorzystnych kierunków wiatrów pod koniec 1982 roku poziom wód Bałtyku układał się w styczniu 1983 roku 50-60 cm powyżej poziomu średniego. W tej sytuacji silne wiatry sztormowe spowodowały duże spiętrzenie wód wzdłuż całego polskiego wybrzeża. Powódź sztormowa dotknęła pięć ówczesnych województw: elbląskie, gdańskie, koszalińskie, szczecińskie i słupskie.
Powódź, która wydarzyła się w lipcu 1997 r. została nazwana powodzią tysiąclecia. Nawiedziła południową i zachodnią Polskę, Czechy, wschodnie Niemcy (Łużyce), północno-zachodnią Słowację oraz wschodnią Austrię, doprowadzając na terenie Czech, Niemiec i Polski do śmierci 114 osób oraz szkód materialnych w wymiarze blisko 4,5 miliarda dolarów. Na terenie Polski zginęło 56 osób, a szkody oszacowano na ok. 3,5 miliarda dolarów. Wylały wówczas wody dorzeczy rzek Bóbr, Bystrzyca, Kaczawa, Kwisa, Mała Panew, Nysa Kłodzka, Nysa Łużycka, Odra, Olza, Oława, Skora, Szprotawa, Ślęza i Widawa, a także górnej Wisły i Łaby.
Na całym świecie gromadzone są dane o zjawiskach ekstremalnych. Dzięki nim możliwe jest symulowanie pewnych procesów, a łącznie z geograficznym systemem informacyjnym tzw. GIS, powstają prognozy umożliwiające podejmowanie decyzji w sprawie ewakuacji mieszkańców, ale też zabezpieczanie miejsc szczególnie narażonych na wystąpienie ekstremalnego zjawiska.

Zadania i polecenia:
Minimum:
1. Wskaż na mapie obszary szczególnie zagrożone zdarzeniami ekstremalnymi i porównaj je z obszarami o dużej gęstości zaludnienia.
2. Określ, w jaki sposób dochodzi do powstania opadów nawalnych i gradu.
3. Które ze zdarzeń ekstremalnych mogą wystąpić w miejscu Twojego zamieszkania? Co można zrobić by ich uniknąć?
4. Co należy do zadań Geograficznego Systemu Informacji
Na lepszą ocenę:
1. Omów mechanizm powstawania cyklonów tropikalnych i podaj rodzaje towarzyszących mu czynników niszczycielskich.
2. Podaj przykłady skutków wielkich powodzi w Polsce. Które z czynników zdecydowały o tak wielkiej fali powodziowej? Które z działań mogłyby doprowadzić do zmniejszenia ich skali?
3. Wskaż na mapie miejsca największych kataklizmów związanych z wybuchami wulkanów.

Zapis lekcji:
1. Rodzaje ekstremalnych zjawisk:
- opad nawalny;
- grad;
- tornado;
- cyklon tropikalny;
- pożary lasów;
- wybuchy wulkanów;
2. Powodzie w Polsce.