Wyróżniają się różnorodnymi kształtami i barwami. Jedne są lekkie i przepięknie wyglądają na błękitnym niebie a inne straszą nas ciemnymi barwami i zapowiadają ulewy i burze. Nie każdy z nas wie, że największe chmury potrafią dotykać ziemi i piąć się na wysokość nawet 18 kilometrów. Stale płynące po niebie chmury są na tyle charakterystyczne, że z łatwością można podzielić je na 12 grup i dzięki temu prognozować co czeka nas w pogodzie w następnych godzinach.

Promienie słoneczne ogrzewają wodę w morzach i oceanach, która wędruje ku górze w postaci pary wodnej w procesie zwanym parowaniem. W miarę unoszenia się pary wodnej ulega ona ochłodzeniu i z powrotem zamienia się w wodę lub lód. W ten sposób powstają skupiska kropelek wody lub kryształków lodu nazywane chmurami. W odpowiednich warunkach powietrze oddaje ziemi wilgoć w postaci opadów spadających na powierzchnię (deszcz, śnieg, krupa lub grad) lub opadów osiadających, czyli osadów (m.in. rosa, szadź i gołoledź). Wody powierzchniowe, rzeki i strumienie, niosą tę wodę do mórz i oceanów i cały cykl zaczyna się od nowa.

Jak powstają chmury

Para wodna pochodząca głównie z mórz i oceanów jest wszechobecna w atmosferze. Jej ilość zawarta w jednostce objętości powietrza nazywana jest wilgotnością bezwzględną powietrza. Im wyższa temperatura powietrza, tym więcej pary wodnej może ono zawierać. Kiedy powietrze zawiera maksymalną ilość pary wodnej w danej temperaturze, mówimy, że jest ono nasycone, a jego wilgotność względna wynosi 100%. Temperatura, przy której para wodna znajdująca się aktualnie w powietrzu nasyciłaby je, nazywana jest punktem rosy. Kondensacja, czyli zamiana pary wodnej w ciecz, ma miejsce, gdy temperatura powietrza spadnie do lub poniżej punktu rosy. Czasem zdarza się bezpośrednie przejście ze stanu gazowego w stały, czyli resublimacja. Ale spadek temperatury nie jest jedynym warunkiem kondensacji. Kondensacja nie zachodzi w powietrzu absolutnie czystym, nawet przy dużym przesyceniu. Potrzebne są mikroskopijne cząsteczki stałe zawieszone w powietrzu i nazywane jądrami kondensacji, na których osiadają jeszcze drobniejsze produkty kondensacji.

Rodzaje chmur

Chmury nieustannie się przeobrażają, osiągając za każdym razem inny kształt, kolor, konsystencję, więc trudno je wprost zliczyć. Dla celów synoptycznych niezbędne stało się jednak stworzenie stałej klasyfikacji chmur. Podzielono je więc - przede wszystkim na podstawie wyglądu zewnętrznego - na 10 rodzajów. Ponieważ wszystkie chmury występują między poziomem morza a tropopauzą, ten przedział wysokości również podzielono na trzy piętra, tak aby dla każdej chmury można było wskazać, na jakim piętrze lub piętrach się znajduje. W zależności od warunków temperaturowych i od wysokości tropopauzy granice tych pięter w różnych szerokościach są różne. Dla szerokości umiarkowanych, w jakich leży Polska, górne piętro chmur rozpościera się przeciętnie na wysokości od 5 do 13 kilometrów, średnie od 2 do 7 kilometrów, a dolne (dla wszystkich szerokości takie samo) od powierzchni morza do 2 kilometrów w górę. Zgodnie z międzynarodową klasyfikacją chmury podzielono na kilka grup.

Chmury piętra wysokiego

Rodzinę chmur wysokich tworzą cirrus (Ci), cirrostratus (Cs) i cirrocumulus (Cc). W szerokościach umiarkowanych chmury piętra górnego występują na wysokości od 5 do 13 km. Zbudowane są z kryształków lodu, występujących przy najniższych temperaturach. Mają one postać delikatnych białych włókien przepuszczających światło słoneczne.

Cirrusy (Ci) - czyli chmury pierzaste mają kształt oddzielnych, białych, cienkich i chaotycznie splątanych włókien albo pasm o włóknistym wyglądzie i jedwabistym połysku. Czasami układają się w szerokie, równoległe pasma zbiegające się ku horyzontowi. Przy lekko zachmurzonym niebie o zachodzie słońca nabierają pięknych barw: od białej, przez żółtą, różową, aż do czerwonej.

Cirrostratusy (Cs) - chmury warstwowo-pierzaste, mają wygląd białawej zasłony o włóknistej lub gładkiej budowie, która pokrywa większość nieba lub całą jego płaszczyznę. Czasami są tak cienkie, że prześwitujący przez nie błękit zyskuje słabiutkie mleczne zabarwienie. Na tych chmurach pojawia się halo - jasny pierścień światła wokół Słońca lub Księżyca, będący skutkiem załamania światła przez kryształy lodu, które ze względu na swój kształt sześciokątnych graniastosłupów zachowują się jak pryzmaty.

Cirrocumulus (Cc) - czasami można ujrzeć wysoką warstwę chmur w formie ławicy, która składa się z wielu drobnych kłaczków, zmarszczek lub ziaren o wyraźnie zaznaczonej budowie, podobnych do zmarszczek na powierzchni wody lub piasku. Nazywa się je cirrocumulusami, czyli chmurami kłębiasto-pierzastymi. Człony tych chmur mogą przybierać kształty soczewek lub migdałów o wydłużonym i wyraźnym kształcie.

Chmury piętra średniego

Chmury piętra średniego w szerokościach umiarkowanych występują na wysokości od 2 do 7 km. Należą do nich altocumulusy (Ac) i altostratusy (As). Chmury piętra średniego występują na ogół pojedynczo i mają wygląd gór, kopuł lub wież. Tworzą je konwekcyjne prądy wstępujące, których śladem są białe kopułki i wyrostki w górnej części chmury, nadające jej kształt zbliżony do kalafiora.

Altocumulusy (Ac) - chmury średnie kłębiaste, tworzą białawą lub szarą warstwę, składającą się z elementów w kształcie walców, zaokrąglonych brył lub płatów, rozdzielonych lub połączonych. Zbudowane są z kropelek wody, ale przy bardzo niskich temperaturach mogą tworzyć się w nich kryształki lodu. Występujące między płatami chmur przerwy nadają im wygląd podobny do sieci lub plastra miodu.

Altostratus (As) - jest to podobna chmura do altocumulusa ale występuje wyżej, na wysokości 3-4 kilometrów, czyli jest chmurą średnią warstwową. To typowa chmura mieszana, w której obok kropelek wody znajdują się drobne płatki śniegu; dlatego może dawać opady mające postać smug poniżej podstawy chmury. W ciepłej porze roku opady z takiej chmury często wyparowują, nim dotrą do Ziemi, ale gdy uda im się osiągnąć jej powierzchnię, mają na ogół charakter ciągły.

Chmury piętra niskiego

Piętro dolne reprezentują Nimbostratus (Ns), stratocumulusy (Sc), stratusy (St) a także cumulusy (Cu) i cumulonimbusy (Cb). Chmury tego piętra w szerokościach umiarkowanych występują na wysokości do 2 km.

Stratus (St) - chmura ta ma wygląd szarej jednolitej powłoki rozciągającej się na małej wysokości - chmura niska warstwowa. Znajduje się ona w najmniejszej odległości od powierzchni Ziemi, nad terenem równinnym nawet kilkudziesięciu metrów.

Nimbostratus (Ns) - jest to szara warstwa chmur o znacznej grubości, nawet kilku kilometrów, o rozmytym wyglądzie na skutek ciągłego opadu deszczu lub śniegu - chmury warstwowe deszczowe.

Stratocumulus (Sc) - jeżeli dużo chmur kłębiastych układa się w warstwę na wysokości około 3 kilometrów, tak że poszczególne chmury wydają się dość duże, to taki układ chmur nazywamy stratocumulusami, czyli chmurami kłębiasto-warstwowymi. Są one położone w dolnym piętrze i składają się z ławic lub warstw szarych albo białawych chmur, mających prawie zawsze fragmenty o ciemniejszym zabarwieniu. Zdarza się, że pada z nich słaba mżawka lub przy niskich temperaturach bardzo drobny śnieg.

Cumulus (Cu) - to pojedyncza chmura kłębiasta, która wyrasta do stosunkowo dużej objętości i wysokości. Jest ona na ogół gęsta, o wyraźnie zarysowanych konturach w kształcie pagórków, rozwijających się w kierunku pionowym. Oświetlone przez słońce części tych chmur są przeważnie lśniąco białe, a ich prawie poziome podstawy są stosunkowo ciemne, otoczone jasną obwódką. Mają często postrzępione brzegi, przy czym ich zarysy ulegają ciągłym i na ogół szybkim zmianom. Cumulusy są zbudowane tylko z kropelek wody i deszcz z nich raczej nie pada.

Cumulonimbus (Cb) - dalszy wzrost cumulusa powoduje przekształcenie się chmury w cumulonimbusa, czyli chmurę kłębiastą deszczową. Ciemny, groźny wygląd potęgowany grzmotami i błyskawicami sprawił, że często nazywa się je chmurami burzowymi. Cumulonimbusy to potężne masy chmur kłębiastych o dużej pionowej j rozciągłości w kształcie gór oraz wielkich wież, sięgające często od piętra dolnego aż do górnego. Przesłaniając słońce, w dużym stopniu zmniejszają oświetlenie; wygląda ją ponuro. Ich wierzchołki są spłaszczone, o włóknistej, prążkowanej strukturze i często charakterystycznym kształcie kowadła. W górnych częściach składają się z kryształków lodu, a w dolnych z kryształków lodu i kropelek wody. Dają opady przelotne o dużym natężeniu, deszczowe, gradowe, a w zimie obfite śniegowe.

Genetyczne typy chmur

Jedną z głównych przyczyn kondensacji jest adiabatyczne ochłodzenie powietrza. Zmiany temperatury noszą nazwę adiabatycznych, jeśli zachodzą bez wymiany ciepła z otoczeniem, przy rozprężaniu i sprężaniu powietrza na skutek zmian ciśnienia i objętości, głównie przy wznoszeniu i osiadaniu powietrza. Wznoszenie może być wymuszone przez przeszkody górskie. Powietrze rozszerza się wtedy, w związku z mniejszym ciśnieniem panującym na większych wysokościach, co pochłania część jego energii. Temperatura spada poniżej punktu rosy i zaczyna się kondensacja pary wodnej. Typowe dla obszarów górskich chmury to np. chmury stojące, soczewkowate i rotorowe.

Chmury stojące, zawieszone nad wierzchołkami szczytów, przypominają postrzępione flagi. Powstają, gdy wierzchołek wzniesienia zmusza poruszające się powietrze do podziału. Na zawietrznej stronie powstają wiry, w których dochodzi do turbulencyjnego wznoszenia powietrza i kondensacji pary wodnej. W miarę oddalania się od wierzchołka kropelki wody wyparowują, chmura rozmywa się i w końcu zanika.

Chmury soczewkowate tworzą się w grzbietach fal powietrza powstających nad obszarami o urozmaiconej rzeźbie. Chmury rotorowe formują się w wirach turbulencyjnych po zawietrznej stronie wzniesień górskich. Mają kształt długich cylindrów ułożonych równolegle do pasma górskiego.

Opisane powyżej chmury orograficzne są szczególną odmianą chmur falowych. Chmury o budowie falowej powstają najczęściej wzdłuż powierzchni styku dwóch warstw powietrza o różnej temperaturze i gęstości. W wyniku nagłych zmian prędkości wiatru oraz różnej gęstości i temperatury na pierwotnie poziomej powierzchni granicznej zaczynają tworzyć się fale o długości od 50 do 2000 m. Zjawisko to przypomina powstawanie fal na powierzchni wody pod wpływem wiatru. W grzbietach fal powietrze podnosi się i ochładza. Para wodna kondensuje, tworząc chmury.

Intensywne wznoszenie powietrza ma również miejsce wzdłuż powierzchni frontalnych towarzyszących przesuwającym się niżom atmosferycznym. Front to miejsce zetknięcia się mas powietrza o różnych właściwościach fizycznych. Najbardziej charakterystyczny jest system chmur frontu ciepłego. Powietrze ciepłe wślizguje się po klinie powietrza chłodnego, ochładza adiabatycznie, a w wyniku kondensacji pary wodnej powstaje układ chmur rozbudowanych w różnych piętrach, nazywanych chmurami wznoszenia ślizgowego lub chmurami o budowie warstwowej.

Kształt chmur jest ściśle związany ze sposobem unoszenia się mas powietrza, w których powstają. Chmury warstwowe są wynikiem wolnego ruchu powietrza - od 5 do 10 cm/s. Silne prądy wstępujące powodują powstawanie chmur konwekcyjnych, o znacznie bardziej zaokrąglonych kształtach. Naukowcy obliczyli, że konwekcja może zachodzić z prędkością nawet 100 km/h. Wysokość, do której dotrze strumień powietrza, uzależniona jest od temperatury otaczających mas powietrza. Temperatura unoszącego się powietrza spada o l stopień na każde 100 m. Jeśli temperatura otaczających mas powietrza maleje szybciej, to strumień będzie się unosił, ponieważ na każdej wysokości będzie to powietrze cieplejsze i lżejsze niż sąsiadujące masy. Taką sytuacją określamy mianem równowagi chwiejnej. Jeżeli temperatura otaczającego powietrza maleje wolniej niż w słupie unoszącego się powietrza, ruch zostanie zahamowany, ponieważ strumień będzie chłodniejszy i cięższy niż otoczenie. W tej sytuacji mamy do czynienia z równowagą stałą.

Chmury a pogoda

Zachmurzenie ocenia się ilościowo, bez wykorzystywania specjalnych przyrządów. Skala oceny ilościowej obejmuje jedenaście stopni: "0" oznacza niebo bez chmur, a ,,10" pełne pokrycie. Pod względem jakości na posterunkach meteorologicznych określa się rodzaje chmur. Gatunki i odmiany tylko na wyspecjalizowanych stacjach. Satelity krążące dookoła Ziemi rejestrują promieniowanie emitowane przez powierzchnię lądów, oceanów i chmur. Informacje te są przetwarzane na bardzo czytelne mapy obszarów chłodniejszych - miejsca jaśniejsze - i cieplejszych - fragmenty ciemniejsze. Na mapach tych wyraźnie widać też układy chmur. Satelity geostacjonarne wykonują zdjęcia tych samych obszarów kuli ziemskiej w krótkich odstępach czasu, dzięki czemu można śledzić zmiany układu chmur, a tym samym prędkość i kierunek przemieszczania się mas powietrza, które to informacje są niezbędne dla nowoczesnego prognozowania pogody. Nie oznacza to jednak, że bez skomplikowanych urządzeń jesteśmy całkowicie bezradni.

Jak przewidywać pogodę patrząc na chmury

Wielu ludzi potrafi przepowiadać pogodę na najbliższe dni, nie zdając się na telewizyjne czy radiowe komunikaty. Pogoda jest zresztą tak lokalnym zjawiskiem, że komunikaty te są często zbyt ogólne. Rolnicy i rybacy często potrafią przewidzieć pogodę na podstawie prostych obserwacji chmur. Na przykład czerwone chmury na zachodniej stronie nieba o zmierzchu są zapowiedzią pięknej pogody nazajutrz. Chmury o miedzianym zabarwieniu ze srebrnymi krawędziami przynoszą burze latem i gradobicie zimą. Intensywnie czerwone plamy na niebie o świcie zapowiadają burzowy dzień. Chmury wysokie, zwłaszcza cirrusy i cirrostratusy, pojawiające się na zachodniej stronie nieba i stopniowo zagęszczające się, są na ogół zwiastunem frontu ciepłego, przynoszącego pogorszenie pogody. Pojawienie się na horyzoncie ciężkich, aż granatowych cumulonimbusów zapowiada deszcz, śnieg lub grad.

Opady

Woda z chmur dociera do ziemi w różnych postaciach, najczęściej jako deszcz i śnieg. Drobniutkie kropelki wody tworzące chmurę znajdują się w nieustannym ruchu, unoszą się i opadają. W miarę jak opadają, łączą się z innymi kropelkami, aż w końcu osiągają takie rozmiary, że są zbyt ciężkie, by unosić się w powietrzu, i spadają na ziemię. Proces ten nazywany jest koalescencją. Jeżeli krople osiągną średnicę l mm, prawdopodobnie dotrą do powierzchni ziemi, jeżeli będą mniejsze, rozpadną się z powodu oporu, jaki stawia powietrze, i cały proces rozpocznie się od nowa. Według innej teorii, ogłoszonej w latach 30., zarówno deszcz, jak i śnieg powstają z przechłodzonych kropelek wody, które zamarzają w chmurach w kryształki lodu. Kryształki te spadają .na powierzchnię ziemi w postaci deszczu lub śniegu, w zależności od tego, czy po drodze stopiły się, czy nie. Grad powstaje na skutek przemieszczania się kryształków lodu w górę i w dół chmury. Kryształki obrastają wówczas kolejnymi warstwami lodu, aż w końcu stają się tak ciężkie, że spadają na ziemię w postaci lodowych bryłek, zwykle o średnicy od 5 do 50 mm. Śnieg pojawia się, gdy para wodna kondensuje w chmurze w temperaturze od -4 do 15°C. Gdy temperatura jest bliska O°C, kryształki miękną i łatwo się zlepiają, tworząc duże płaty. Przy niższych temperaturach w narożach sześciokątnych kryształków dochodzi do intensywnej sublimacji i powstają przepiękne, koronkowe blaszki.