Huragan Harvey na przełomie sierpnia i września przyniósł najwyższe w historii pomiarów opady w kontynentalnych Stanach Zjednoczonych, które doprowadziły do katastrofalnych powodzi w Teksasie, zalane zostało największe miasto stanu Houston. Minęło raptem 10 dni i najsilniejszy w historii wód otwartego Atlantyku huragan Irma po zdewastowaniu wielu wysp na Karaibach uderzył we Florydę, doprowadzając do katastrofalnych zniszczeń. Bardzo możliwe, że oba ostatnie huragany okażą się dwiema najkosztowniejszymi katastrofami naturalnymi w historii USA. Przyjrzyjmy się, jak „działają” huragany, jak sieją zniszczenie i jak wpływa na nie zmiana klimatu. Rysunek 1: Trzy huragany widoczne jednocześnie nad Atlantykiem – Katia, Irma i Jose, Zdjęcie satelitarne zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory. „Zasada działania” Cyklony tropikalne, zwane też huraganami (na Atlantyku i wschodnim Pacyfiku) i tajfunami (na zachodnim Pacyfiku), to tworzące się nad wodami strefy równikowej i zwrotnikowej rozległe układy niskiego ciśnienia, którym towarzyszy wiatr o prędkości przekraczającej 120 km/h. Aby mógł powstać cyklon tropikalny, powinny być jednocześnie spełnione następujące warunki: – Temperatura wody w warstwie powierzchniowej oceanu o grubości co najmniej 50 m powinna przekraczać 27°C. Ocean stanowi wtedy zbiornik energii dostatecznie pojemny dla zasilania maszyny termodynamicznej, którą jest cyklon. – Rozkład temperatury i wilgotności w atmosferze powinien być odpowiedni dla rozwoju intensywnych, wypiętrzonych chmur burzowych. Konwekcja chmurowa, rozwijająca się przez cała grubość troposfery, jest „maszyną parową” przekształcającą dostarczaną przez ocean energię cieplną w energię kinetyczną ruchu powietrza. – Odległość od równika obszaru w którym rozwija się konwekcja powinna wynosić co najmniej 500 km. Na równiku pozioma składowa siły Coriolisa jest mała, dopiero dalej od równika unoszenie i opadanie wywołuje wirowanie układu może ona uporządkować powietrze napływające nad powierzchnią morza do obszaru konwekcji (miejsca gdzie zaczyna wznosić się do góry) w charakterystyczną spiralę. – Zmienność prędkości wiatru z wysokością w całej troposferze powinna być niewielka. Pozwala to na „zorganizowanie się” chmur konwekcyjnych w układ cykloniczny obejmujący niemal całą grubość troposfery, tak jak zapoczątkowuje to spiralny napływ powietrza przy powierzchni oceanu. Rysunek 2: Trasy cyklonów w latach 1851-2006. Cyklony tropikalne najczęściej rozwijają się na przełomie lata i jesieni, co jest związane z najwyższą temperaturą powierzchni wód w tym okresie oraz odsunięciem się polarnych prądów strumieniowych w kierunku biegunów. Na przykład na Atlantyku 96% huraganów o sile wiatru przekraczającej 50 m/s (180 km/h) pojawia się między sierpniem a październikiem (źródło: Wikipedia, na podstawie danych NOAA). Gdy warunki te są spełnione i nad oceanem pojawi się choćby delikatnie zaznaczony obszar obniżonego ciśnienia, może się on rozwinąć w cyklon tropikalny według następującego scenariusza: Intensywne parowanie z powierzchni ciepłego oceanu dostarcza atmosferze energii w postaci ciepła utajonego (czyli energii, którą para wodna wydzieli do otoczenia w chwili gdy się skropli). Cieple wilgotne powietrze wznosi się i ochładza, aż osiągnie poziom kondensacji. Para wodna skrapla się, tworząc chmury i wydzielając jednocześnie ciepło, które napędza ruchy wstępujące. Powietrze wznosi się do góry, wskutek czego spada ciśnienie przy powierzchni oceanu. Na jego miejsce napływają kolejne porcje powietrza, które ogrzało się i nawilżyło, przepływając nad ciepłym oceanem. Napływające powietrze jest odchylane przez siłę Coriolisa, w wyniku czego zaczyna tworzyć się ruch wirowy, przeciwny do ruchu wskazówek zegara na półkuli północnej a zgodny na południowej. Rysunek 3: Ewolucja huraganu Harvey widoczna na zdjęciach satelitarnych NASA. Zdjęcia pochodzą z przelotów satelity Aqua 23 sierpnia (po lewej) i 25 sierpnia (po prawej) 2017. Skala kolorystyczna odpowiada tzw. temperaturze emisyjnej (w kelwinach), czyli temperaturze ustalonej na podstawie ilości promieniowania emitowanego przez fotografowane obiekty. Widoczne na zdjęciu obszary temperatur poniżej 273 K (czyli poniżej 0°C) to chmury. Można zauważyć, jak ciągu 36 godzin układ chmur sygnalizujący obecność niżu zorganizował się w postaci spirali. Obrazy zamieszczamy dzięki uprzejmości NASA/JPL-Caltech. Rosnąca prędkość wiatru powoduje zafalowanie powierzchni oceanu. Woda z powierzchni miesza się z wodą poniżej. Jeśli ciepła warstwa oceanu jest zbyt cienka, temperatura powierzchni morza spada i spada dopływ energii do układu. Jeśli ciepła warstwa jest gruba, mieszanie napędza działanie układu, bo ochłodzone parowaniem warstwy powierzchniowe zastępowane są w procesie mieszania ciepła woda z głębokości kilkunastu czy kilkudziesięciu metrów. Im więcej ciepłej wody napotka przed sobą cyklon tropikalny, tym więcej energii może pobrać i tym silniejszy się staje. Jeśli korzystne warunki utrzymują się, niż pogłębia się. Nowe porcje ciepłego i wilgotnego powietrza zasysane są do środka układu, gdzie przyspieszają i zaczynają wznosić się ruchem wirowym na wysokość kilkunastu kilometrów, wydzielając energie przemiany fazowej (ciepło kondensacji) pozbywając się przy tym prawie całej wody. Wychłodzone powietrze rozrzucane jest przez cyklon na odległość setek kilometrów, a uformowane z niego chmury Cirrus widoczne są doskonale z kosmosu tworząc piękny, doskonale widoczny na zdjęciach satelitarnych obraz. Warto zwrócić uwagę, że kierunek ramion spirali chmur Cirrus powietrza wypływającego na zewnątrz cyklonu na wysokości tropopauzy jest odwrotny do kierunku rotacji powietrza w samym cyklonie. Rysunek 4: Ewolucja i przemieszczanie się huraganu Harvey, 25 sierpnia 2017. Animację udostępniamy dzięki uprzejmości NASA’s Earth Observatory. W środku układu wytwarza się tzw. oko cyklonu – bezchmurny obszar ze stosunkowo słabymi wiatrami i silnymi ruchami zstępującymi. Po przemieszczeniu nad chłodniejsze wody bądź ląd, gdzie układ nie otrzymuje dostatecznej ilości energii, cyklon tropikalny słabnie i zanika. Narzędzia zniszczenia Wkraczający na ląd silny cyklon może spowodować poważne straty. Są trzy główne mechanizmy zniszczenia: wiatr, przypływ sztormowy i opady deszczu. Prędkość wiatru wokół oka cyklonu w najsilniejszych huraganach może przekraczać nawet 300 km/h. Tak silny wiatr wyrywa drzewa, przewraca słupy energetyczne, zrywa dachy, a nawet niszczy budynki o słabszej konstrukcji. Najsilniejsze wiatry wieją na ogół w połówkach cyklonów bardziej oddalonych od równika, gdyż do prędkości związanej z cyrkulacją cykloniczną dodaje się tam prędkość przemieszczania samego układu. W części cyklonu bliższej równika prędkości te się odejmują i siła wiatru jest mniejsza. Rysunek 5: Zniszczenia po przejściu huraganu Irma w Philipsburgu na należącej do Holandii karaibskiej wyspie St. Martin. Źródło: Holenderskie Ministerstwo Obrony. Duża część zniszczeń w strefie przybrzeżnej związana jest nie z samym wiatrem, a z powodowanymi przez niego przypływem sztormowym. Wiejący w kierunku oka cyklonu wiatr pcha w jego stronę ogromne masy wody, które spiętrzają się. Większy słup wody oznacza wyższe ciśnienie które wtłacza nadmiar wody w głąb. Na otwartym oceanie powierzchnia morza nie podnosi się o więcej niż około metr; jednak gdy oko cyklonu wkracza nad płytkie wody przybrzeżne, dno powstrzymuje ruchy opadające i woda piętrzy się coraz bardziej, wdzierając się na ląd i tworząc przypływ sztormowy. Tam, gdzie woda przy brzegu jest niezbyt głęboka, może on sięgać wysokości kilku metrów, jest zaś znacznie mniejszy tam, gdzie ocean nawet blisko brzegu ma dużą głębokość. Dochodzą do tego wezbrania powodowane przez wiatr pchający wodę w kierunku lądu. Są one szczególnie intensywne w płytkich miejscach, w których wklęsłe, a szczególnie lejkowate ukształtowanie brzegu powoduje kumulowanie się wody na coraz węższym obszarze. Łącznie ze zjawiskiem piętrzenia wody w rejonie oka cyklonu może to prowadzić do przypływów sztormowych wysokich nawet na kilkanaście metrów – zależnie od siły i kierunku wiatru, rozmiaru cyklonu, głębokości wody i ukształtowania linii podnoszenia się poziomu wody w oku cyklonu przyczynia się też obniżenie ciśnienia powietrza w oku cyklonu (można to porównać do zasysania wody do góry), w porównaniu z wpływem wiatru efekt ten jest jednak o ponad rząd wielkości mniejszy. Na to wszystko nakładają się zaś jeszcze wielometrowe fale. Rysunek 6: Przypływ sztormowy podczas huraganu Sandy w 2012 roku. Zdjęcie sierżanta Marka C. Olsena zamieszczamy dzięki uprzejmości Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych. W głębi lądu głównym czynnikiem ryzyka są wysokie opady, szczególnie, jeśli cyklon na swojej drodze natrafia na tereny górzyste. Przesycone wilgocią powietrze skrapla się i zrzuca nad lądem olbrzymie ilości deszczu, mogące przekraczać nawet 1500 mm na dobę i 5000 mm w ciągu 10 dni. Dla porównania, maksymalna zarejestrowana ilość opadu, która wywołała katastrofalną powódź w Polsce w lipcu 1997 roku, wyniosła w Kamienicy Kłodzkiej 455 mm w ciągu 3 dni. Rysunek 7: Powódź w Houston w Teksasie, spowodowana przypływem sztormowym i silnymi opadami, Zdjęcie porucznika Zacharego Westa zamieszczamy dzięki uprzejmości Gwardii Narodowej, Departamentu obrony Stanów Zjednoczonych. Amerykanie wprowadzili skalę intensywności huraganów, tzw. skalę Saffira–Simpsona. Podobną skalę wprowadziły australijskie służby meteorologiczne. Tabela 1: Skala Saffira-Simpsona huraganów. Huragany i ich konsekwencje a zmiana klimatu To, jak zmieni się liczba i siła cyklonów w cieplejszym klimacie jest przedmiotem intensywnych badań. Jak na razie nie mamy dostatecznych danych, żeby stwierdzić, że dany huragan (na przykład Harvey czy Irma) ma związek z globalnym ociepleniem; można jednak stwierdzić, że w następstwie zmiany klimatu następstwa huraganów będą stawać się coraz poważniejsze. Z jednej strony wzrost temperatury wody i wzrost wilgotności sprzyjają ich formowaniu, ale z drugiej strony w cieplejszym klimacie słabną niezbędne do zainicjowania cyklonu pionowe ruchy powietrza w tropikach, wzrasta też zmienność prędkości wiatru wraz z wysokością, która dezorganizuje cyrkulację. Obliczenia wskazują, że choć całkowita liczba cyklonów raczej nie wzrośnie (a może nawet zmaleć), to prawdopodobnie układy, które powstaną, będą silniejsze, wzrośnie więc liczba tych z najwyższych kategorii 4 i 5, czyli o prędkościach wiatru powyżej 200 km/h. Ocieplanie się klimatu sprzyja wzrostowi siły cyklonów przede wszystkim dlatego, że coraz cieplejsza woda – nie tylko przy samej powierzchni, ale też na głębokości 100 i więcej metrów – daje mu do dyspozycji więcej zasilającej go energii. Nawet jednak huragan o takiej samej mocy jak kiedyś (prędkości wiatru i rozmiarze) może dziś dokonać większych szkód niż kilkadziesiąt lat temu. Dlaczego? Po pierwsze, większa ilość wilgoci w atmosferze przekłada się na większe opady. Po drugie, przypływ sztormowy nakłada się na wyższy dziś i rosnący poziom morza. Po trzecie zaś, zmiany w zachowaniu atmosfery i prądów oceanicznych umożliwiają dotarcie cyklonów w miejsca, w których wcześniej się one nie pojawiały. Rysunek 8: Catarina, pierwszy huragan „obsługiwany” przed brazylijską służbę meteorologiczną, pojawiła się w roku 2004 nad południowym Atlantykiem. Powyższe zdjęcie wykonał 7 marca 2004 astronauta przebywający na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Zamieszczamy je dzięki uprzejmości NASA/JSC. Na liście rekordowych cyklonów, do których doszło w ostatnich latach mamy sporo interesujących pozycji: najsilniejszy w historii tajfun Patricia z 2015 roku (utrzymujący się przez minutę wiatr o prędkości 345 km/h), najsilniejszy w momencie wejścia nad ląd historii tajfun Hayian z 2013 r. (utrzymujący się przez minutę wiatr 315 km/h), najbliższy równika cyklon Agni (0,7°N) czy pierwszy na południowym Atlantyku huragan Catarina z 2004 roku. Na coraz większe zagrożenie huraganami nakłada się dodatkowo coraz większa wartość infrastruktury nadbrzeżnej i zabudowywanie miejsc, które ze względu na narażenie na konsekwencje huraganów w ogóle nie powinny być zabudowywane (w przypadku huraganów Harvey i Irma dotyczy to zarówno Houston jak i Miami). Rysunek 9: Huragan Irma 9 września 2017 roku wkraczający nad Florydę wraz z nałożonym w skali konturem Polski. Zdjęcie NASA/NOAA GOES Project Dotychczas najkosztowniejsze w historii huragany to Katrina z 2005 roku, która zalała Nowy Orlean powodując szkody szacowane na 160 miliardów dolarów, Sandy z 2012, która spowodowała w Nowym Jorku i okolicach szkody na kwotę 70 miliardów dolarów. Straty spowodowane przez huragany Harvey i Irma są wstępnie szacowane odpowiednio na nawet 180 mld i 300 mld dolarów. Jest więc bardzo możliwe, że oba te huragany okażą się dwiema najkosztowniejszymi katastrofami naturalnymi w historii USA. Czytaj też Co z tymi huraganami? Marcin Popkiewicz i prof. Szymon P. Malinowski