Chmura (meteorologia)

Chmury – obserwowane w atmosferze skupiska kondensatów substancji występującej w postaci pary. W atmosferze ziemskiej jest to para wodna^[1]. Ochładzanie zmniejsza prężność pary nasyconej, osiągnięcie temperatury punktu rosy powoduje nasycenie pary wodnej (saturację), dalsze ochładzanie wywołuje przesycenie i kondensację. Kondensacja i parowanie (w przypadku chmur wodnych) oraz depozycja i sublimacja (w przypadku chmur lodowych) zachodzą w atmosferze na chmurowych lub lodowych jądrach (zarodkach) nukleacji.

Chmury

Ten artykuł dotyczy zjawiska atmosferycznego. Zobacz też: inne znaczenia.

	Cirr-
	Alto- et al.
	Strat- et al.

Fizyka chmur

Rodzaje chmur

Chmury będące obiektami badania fizyki chmur to zbiorowiska unoszących się w powietrzu cząstek w postaci kropelek wody, kryształków lodu albo ich mieszaniny.

Fizykę chmur można podzielić na trzy działy, w zależności od sposobu podejścia do obiektu badań. Są to: mikrofizyka chmur, makrofizyka chmur^[a] i fizyka układów chmurowych. Do fizyki chmur włącza się też fizykę opadów, tj. cząstek (kropli wody lub bryłek lodu) tak dużych, że nie można zaniedbać ich, następującego pod wpływem siły ciężkości, ruchu względem powietrza. Mikrofizyka chmur jest fizyką pojedynczej cząstki chmurowej lub dyskretnego zbioru takich indywidualnych cząstek w ich wzajemnym oddziaływaniu. Makrofizyka chmur traktuje chmurę jako ośrodek ciągły (taki jak gaz lub ciecz, abstrahując od jej mikrostruktury kropelkowej lub kryształkowej), charakteryzowany przez zmienne zależne od punktu w przestrzeni i czasie. Realną interpretacją punktu w przestrzeni i czasie jest, tak jak w klasycznej teorii ośrodków ciągłych, pewna skończona objętość przestrzenna i skończony przedział czasu, których kształt i wielkość zależy od przyjętej skali opisu. W ujęciu makrofizycznym chmurę charakteryzuje, poza ogólnofizycznymi wielkościami, takimi jak temperatura, ciśnienie, prędkość ruchu itp., wielkość zwana wodnością, określająca masę ciekłej wody zawartej w jednostce objętości powietrza. Pojęcie wodności można też odnosić tylko do określonej frakcji wody chmurowej lub opadowej. Przez wodę chmurową rozumiemy tę część zawartej w chmurze wody, dla której można zaniedbać jej ruch względem powietrza i traktować jako swego rodzaju składnik gazowy, w odróżnieniu od wody opadowej, która może się względem powietrza przemieszczać pod działaniem grawitacji. W odniesieniu do chmur lodowych lub mieszanych można by mówić o lodności, ale ten termin nie jest przyjęty w języku polskim. Poza szeroko rozumianymi fizycznymi własnościami chmury, makrofizyka chmur zajmuje się również morfologiczną strukturą różnych typów chmur oraz mechanizmami ich powstawania i ewolucji. Fizyka układów chmurowych zajmuje się zespołami indywidualnych chmur, tworzącymi się pod wpływem procesów meteorologicznych niezależnych od chmur lub jako wynik ich samoorganizacji. Zajmuje się takimi zjawiskami, jak widoczne na obrazach satelitarnych struktury falowe, pola komórek konwekcyjnych, ścieżki i grzędy chmur konwekcyjnych, mezoskalowe kompleksy konwekcyjne, układy chmur frontowych itp. Jest to więc dziedzina na pograniczu fizyki chmur i mezometeorologii lub ogólnie meteorologii dynamicznej. Obrazowo mówiąc, mikrofizyka chmur jest fizyką chmury widzianej przez mikroskop, makrofizyka – fizyką chmury oglądanej „nieuzbrojonym okiem” z powierzchni Ziemi lub pokładu samolotu, zaś fizyka układów chmurowych – fizyką chmur widzianych ze sztucznego satelity Ziemi lub na ekranie radaru.

Organizacja chmur i mgieł

Rolki nisko leżącego stratusa zaobserwowane w Half Moon Bay w Kalifornii

Chmury lub mgły organizują się w specyficzne struktury takie jak otwarte i zamknięte komórki konwekcyjne, uliczki chmur, podłużne i poprzeczne rolki i inne, na skutek ruchu mas powietrza. Tego typu organizacja jest zazwyczaj obserwowana na zdjęciach satelitarnych lub lotniczych nad oceanami. Rodzaj organizacji zależy od wysokości warstwy granicznej, stabilności kolumny atmosferycznej, prędkości wiatru, pionowego profilu wiatru. Za organizację chmur i mgieł często odpowiedzialne są fale atmosferyczne. Zjawisko przypomina także komórki Bénarda obserwowane w warunkach laboratoryjnych.

Zjawiskami tymi zajmują się nie tylko meteorolodzy, ale także żeglarze klas olimpijskich^[2][3], dla których oscylacje wiatru w skali kilku minut są istotne. Np. wiatr pulsujący związany jest z poprzecznymi rolkami chmurowymi, wiatr oscylujący związany jest z rolkami podłużnymi.

Podział chmur

Chmury można podzielić na różne sposoby:

• ze względu na wysokość występowania – wg pięter – na:
  • chmury niskie,
  • chmury średnie,
  • chmury wysokie;
• ze względu na kształt na:
  • chmury kłębiaste,
  • chmury warstwowe,
  • chmury pierzaste;
• ze względu na budowę wewnętrzną:
  • chmury o rozciągłości poziomej,
  • chmury rozbudowane w pionie (np. cumulus, cumulonimbus);
• ze względu na sposób powstania:
  • chmury falowe (np. stratus)
  • chmury konwekcyjne (np. cumulus)
  • chmury frontowe (np. altostratus).

Typologia ta obejmuje chmury występujące w troposferze. Oprócz nich w regionach polarnych występują chmury położone w wyższych warstwach atmosfery. Na wysokości 15–25 km, w stratosferze występują polarne chmury stratosferyczne, do których zalicza się obłoki perłowe. Na wysokościach 75–85 km ponad powierzchnią ziemi, w mezosferze występują obłoki srebrzyste.

Nazewnictwo chmur

Pierwsza klasyfikacja chmur opublikowana została przez Luke’a Howarda w 1803. Znanych jest wiele rozmaitych odmian podstawowych rodzajów chmur. Odmiany te zostały skatalogowane w dziele „Międzynarodowy atlas chmur” opublikowanym przez Światową Organizację Meteorologiczną. Atlas został zaktualizowany i opracowany w wersji multimedialnej w 2017 r^[4][5].

Analogicznie jak w nomenklaturze botanicznej i zoologicznej łacińskie nazwy rodzajów zapisywane są od wielkiej litery, określenia gatunkowe od małej. Takie łacińskie zapisy jednostek systematycznych (rodzaj i gatunek, ewentualnie też odmiana) tekście wyróżniane są kursywą (np.: Cirrocumulus stratiformis lacunosus, tzn. chmury kłębiaste pierzaste w kształcie warstwy przypominającej plaster miodu).

W języku polskim, m.in. w podręcznikach, używane są odpowiedniki polskie nazw łacińskich^[b]. Ponadto stosuje zapożyczenia łacińskie, pisane od małej litery (np.: cirrocumulus, cirrocumulusy)^[6].

Charakterystyczne cechy chmur (według J. Czirkowa 1989) i prawdopodobieństwo (p) wystąpienia z nich opadów (w %)^[7]

Rodzaj chmur	Wysokość podstawy w km	Zasięg pionowy	p
Chmury wysokie Pierzaste – Cirrus (Ci) Pierzaste warstwowe – Cirrostratus (Cs) Pierzaste kłębiaste – Cirrocumulus (Cc)	7–10 6–8 6–8	od setek m do kilku km od 0,1 do kilku km 0,2–0,4 km	0 0 0
Chmury średnie Średnie warstwowe – Altostratus (As) Średnie kłębiaste – Altocumulus (Ac)	3–5 2–6	0,2–0,7 km 1–2 km	2 14
Chmury niskie Kłębiaste warstwowe – Stratocumulus (Sc) Warstwowe – Stratus (St)	0,1–1,0 0,6–1,5 0,1–0,7	do kilku km 0,2–0,8 km 0,2–0,8 km	56 13 11
Chmura o budowie pionowej Warstwowe deszczowe – Nimbostratus (Ns)[c][8] Kłębiaste – Cumulus (Cu) Kłębiaste deszczowe – Cumulonimbus (Cb)	0,2-0,5 0,6–2,5 0,4–2,5	od setek m do kilku km od kilku km do tropopauzy	0[d] 4

Lista rodzajów i wybranych gatunków chmur, z czterech rodzin (pięter)

Zachód Słońca nad Oceanem Spokojnym obserwowany z Międzynarodowej Stacji Kosmicznej

• Wysokie
  • Cirrus – chmury pierzaste
  • Cirrostratus – chmura pierzasto-warstwowa
  • Cirrocumulus – chmury pierzasto-kłębiaste, tzw. „baranki”, jeden z rodzajów chmur lodowych

• Średnie
  • Altostratus – chmura średnia warstwowa, o mieszanym składzie
  • Altocumulus – chmury średnie kłębiaste
    • Altocumulus lenticularis – chmura średnia kłębiasta soczewkowata (lub o kształcie wrzecionowatym), składająca się z przechłodzonej wody

• Niskie
  • Stratocumulus – chmura kłębiasto-warstwowa – chmura piętra niskiego, zbudowana z kropelek wody
  • Stratus, łac. ‘rozciągnięty’ – chmura warstwowa, w przypadku dużej grubości dająca gęstą, szarą okrywę, może obniżyć się do podłoża atmosfery jako mgła

• Niskie z pewnymi cechami budowy pionowej
  • Nimbostratus – chmura deszczowa bądź śniegowa – dość ciemna, gęsta chmura o składzie mieszanym, o rozciągłości nieraz dziesiątków kilometrów
  • Cumulus – chmura kłębiasta – chmura piętra niskiego z płaską podstawą, wypiętrzająca się w górę w wyniku ruchów konwekcyjnych
    • Cumulus fractus – chmura kłębiasta powstała w wyniku rozpadu innego cumulusa
    • Cumulus humilis – chmura kłębiasta pięknej pogody, gatunek o stosunkowo płaskiej górnej powierzchni, większej szerokości niż wysokości
    • Cumulus mediocris – chmura kłębiasta średniej wielkości z szarą podstawą, może powodować przelotne opady o niskiej intensywności

• Niskie o wyraźnych cechach budowy pionowej
  • Cumulus – chmura kłębiasta
    • Cumulus congestus – chmura kłębiasta wyraźnie wypiętrzona z szarą podstawą, może powodować przelotne opady o zwiększonej intensywności
  • Cumulonimbus – chmura kłębiasto-deszczowa, która może przekształcić się w gatunek chmury burzowej, a wtedy posiada w górnej części kowadło (łac. incus), zbudowane z kryształków lodu

Zestawienie informacji na temat 10 rodzajów chmur

Nazwa międzynarodowa	Skrót nazwy	Polska nazwa rodzaju chmury	Piętro występowania w troposferze	Oznaczenie graficzne	Przykład	Główny budulec chmury	Opady oraz zjawiska towarzyszące chmurze
Altocumulus	Ac	średnia kłębiasta	średnie			krople wody
Altostratus	As	średnia warstwowa	średnie			krople wody i kryształki lodu	przy większej grubości chmur – opad drobnego deszczu lub śniegu
Cirrus	Ci	pierzasta	wysokie			kryształki lodu
Cirrocumulus	Cc	pierzasto-kłębiasta, pierzasta kłębiasta	wysokie			kryształki lodu
Cirrostratus	Cs	pierzasto-warstwowa, pierzasta warstwowa	wysokie			kryształki lodu
Cumulus	Cu	kłębiasta	niskie z pewnymi cechami budowy pionowej	lub		krople wody	te najwyżej rozbudowane pionowo dają małe lub umiarkowane opady deszczu
Cumulonimbus	Cb	kłębiasto-deszczowa, kłębiasta deszczowa	niskie, średnie, wysokie[9]			krople wody (w dolnej części chmury) i kryształki lodu (w górnej części chmury)	zwykle intensywne, czasami gwałtowne opady deszczu, śniegu, gradu; u gatunku capillatus opadom towarzyszą wyładowania elektryczne (burze)
Nimbostratus	Ns	warstwowo-deszczowa, warstwowa deszczowa	niskie z pewnymi cechami budowy pionowej			krople wody i kryształki lodu	ciągły opad deszczu lub śniegu
Stratus	St	warstwowa	niskie			krople wody	często mżawka lub śnieg ziarnisty
Stratocumulus	Sc	kłębiasto-warstwowa, kłębiasta warstwowa	niskie			krople wody	niekiedy niewielkie opady deszczu lub virga

Klasyfikacja chmur

Wymienione w tabeli gatunki i formy specjalne uszeregowano według częstości występowania^[4].

Rodzaj chmur	Gatunki	Odmiany	Formy specjalne i zjawiska towarzyszące chmurze	Przykład[e]
Cirrus	fibratus uncinus spissatus castellanus floccus	intortus radiatus vertebratus duplicatus	mamma fluctus	Cirrus fibratus vertebratus
Cirrocumulus	stratiformis lenticularis(inne języki) castellanus floccus	undulatus lacunosus	virga mamma cavum	Cirrocumulus stratiformis
Cirrostratus	fibratus nebulosus	duplicatus undulatus		Cirrostratus nebulosus undulatus
Altocumulus	stratiformis lenticularis castellanus floccus volutus	translucidus perlucidus opacus duplicatus undulatus radiatus lacunosus	virga mamma cavum fluctus asperitas	Altocumulus stratiformis perlucidus
Altostratus		translucidus opacus duplicatus undulatus radiatus	virga praecipitatio pannus mamma	Altostratus translucidus
Stratocumulus	stratiformis lenticularis castellanus floccus volutus	translucidus perlucidus opacus duplicatus undulatus radiatus lacunosus	virga mamma praecipitatio fluctus asperitas cavum	Stratocumulus stratiformis perlucidus
Stratus	nebulosus fractus	opacus translucidus undulatus	praecipitatio fluctus	Stratus fractus zbliżony do nebulosus
Cumulus	humilis mediocris congestus fractus	radiatus	virga praecipitatio pileus velum arcus pannus fluctus tuba	Cumulus humilis
Nimbostratus			praecipitatio virga pannus	Nimbostratus
Cumulonimbus	calvus capillatus		praecipitatio virga pannus incus mamma pileus velum arcus murus cauda flumen tuba	Cumulonimbus capillatus incus

Chmury macierzyste – genitus

^[10]

• altocumulogenitus (acgen) – utworzony przez częściową transformację chmury altocumulus;
• altostratogenitus (asgen) – utworzony przez częściową transformację chmury altostratus;
• cirrogenitus – utworzony przez częściową transformację cirrus;
• cirrocumulogenitus (ccgen) – utworzony przez częściową transformację cirrocumulus;
• cirrostratogenitus – utworzony przez częściową transformację cirrostratus;
• cumulogenitus (cugen) – utworzony przez częściową transformację cumulus;
• cumulonimbogenitus (cbgen) – utworzony przez częściową transformację cumulonimbus;
• nimbostratogenitus (nsgen) – utworzony przez częściową transformację nimbostratus;
• stratogenitus – utworzony przez częściową transformację stratus;
• stratocumulogenitus (scgen) – utworzony przez częściową transformację stratocumulus.

Chmury na innych planetach

Chmury na Neptunie

W Układzie Słonecznym każda planeta, która utrzymuje dostatecznie gęstą atmosferę, posiada specyficzne chmury.

Chmury na Wenus są całe zbudowane z kropelek kwasu siarkowego, a przy tym są tak gęste, że odbijają większość padającego na nie promieniowania słonecznego. Uniemożliwiają one również ucieczkę promieniowania z powierzchni planety, czego konsekwencją jest olbrzymi efekt cieplarniany.

Mars posiada wysokie cienkie chmury zbudowane z lodu.

Jowisz i Saturn w najwyższej części atmosfery posiadają chmury zbudowane z amoniaku, w części środkowej atmosfery chmury składają się głównie z wodorosiarczku amonu, a w najniższej istnieją chmury wodne.

Księżyc Saturna Tytan posiada chmury zbudowane z azotu, metanu i prostych związków organicznych.

Uran i Neptun posiadają atmosfery zdominowane przez chmury metanu.

Zobacz też

• meteorologia
• zachmurzenie

Uwagi

1. W literaturze anglojęzycznej określana zwykle w sposób zawężający jako „dynamika chmur” – cloud dynamics.
2. Istnieją dwie wersje tłumaczeń polskich. (Składnia polskich odpowiedników nie zawsze odpowiada kolejności wyrazów podstawowych nazwy łacińskiej.) Te chmury, które mają nazwy dwuczłonowe, są zapisywane bądź jako

   • dwa przymiotniki bez łącznika (np.: pierzaste kłębiaste), wtedy drugi jest określeniem pierwszego, bądź
   • z łącznikiem (np.: pierzasto-kłębiaste), który jednak sugeruje równorzędność obu członów, co nie jest prawdą. Na przykład chmury pierzaste kłębiaste są zbliżone do pierzastych: występują w tym samym piętrze, zbudowane są wyłącznie z kryształków lodu, a cechą przypominającą chmury kłębiaste jest jedynie ich kształt. Chmury pierzasto-kłębiaste nie są więc połączeniem chmur pierzastych i kłębiastych.
3. Obecnie chmury warstwowe deszczowe zaliczane są do chmur średnich.
4. Wśród chmur Cumulus wyjątkiem jest gatunek chmura kłębiasta średnio wypiętrzona (Cu med), który często daje przelotny opad.
5. Podano w miarę możliwości nie tylko nazwę rodzajową, lecz i gatunkową, a ponadto odmianę chmury, ewentualnie jej szczególną formę.