Jak działają powodzie

Spacerujący ludzie zalali ulice Nowego Orleanu po tym, jak wały wybuchły po huraganie Katrina. Zobacz więcej zdjęć burzy. Michael Lewis / National Geographic / Getty Images

Woda to jedna z najbardziej przydatnych rzeczy na Ziemi. Pijemy, kąpiemy się, myjemy i gotujemy. W większości przypadków jest to całkowicie łagodne. Ale w wystarczająco dużych ilościach te same rzeczy, których używamy do płukania szczoteczki do zębów, mogą przewracać samochody, burzyć domy, a nawet zabijać.

Tylko w ciągu ostatnich stu lat powodzie pochłonęły miliony istnień ludzkich, bardziej niż jakiekolwiek inne zjawisko pogodowe. Huragan Katrina w Nowym Orleanie i cyklon w 2008 r., Który uderzył w Birmę, to niedawne przykłady rozległych zniszczeń, jakie mogą spowodować powodzie.

W tym artykule dowiemy się, co sprawia, że ​​woda zmienia charakter tak szybko i zobaczymy, co się stanie, gdy to nastąpi. Zbadamy negatywny wpływ powodzi, a także niektóre korzyści. Zbadamy również, jak konstrukcja ludzka może powstrzymać powódź lub, w niektórych przypadkach, ją spowodować.

Zawartość

1. Woda, woda wszędzie
2. Pod pogodą
3. Zabierz mnie do rzeki
4. Przyjdź do piekła lub wody wysokiej

Powódź na terenach uprawnych w stanie Missouri. Ulewne deszcze wiosną i latem 1993 r. Zalały obszary w środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych, przez co rząd federalny ogłosił 500 hrabstw w dziewięciu stanach jako główne obszary katastrofy.

Aby zrozumieć, jak działają powodzie, musisz wiedzieć coś o zachowaniu się wody na naszej planecie. Całkowita ilość wody na Ziemi utrzymuje się na dość stałym poziomie od milionów lat (chociaż jej dystrybucja znacznie się w tym czasie zmieniła). Każdego dnia bardzo mała ilość wody jest tracona wysoko w atmosferze, gdzie intensywne ultrafioletowe promienie mogą rozerwać cząsteczkę wody, ale nowa woda jest również emitowana z wewnętrznej części Ziemi w wyniku aktywności wulkanicznej. Ilość wytwarzanej wody i ilość traconej są prawie równe.

W dowolnym momencie ta objętość wody ma wiele różnych form. Może być płynny, jak w oceanach, rzekach i deszczu; solidne, jak w lodowcach bieguna północnego i południowego; lub gazowy, jak w niewidzialnej parze wodnej w powietrzu. Woda zmienia się ze stanu na stan, gdy jest przemieszczana po planecie prądy wiatrowe. Prądy wiatrowe są generowane przez ogrzewanie słoneczne. Słońce świeci bardziej na obszarze wokół równika Ziemi niż na obszarach położonych dalej na północ i południe, powodując rozbieżności ciepła na powierzchni globu. W cieplejszych regionach gorące powietrze unosi się do atmosfery, wciągając chłodniejsze powietrze do opuszczonej przestrzeni. W chłodniejszych regionach zimne powietrze opada, wciągając cieplejsze powietrze do pustej przestrzeni. Obrót Ziemi przerywa ten cykl, więc na całej kuli ziemskiej występuje kilka mniejszych cykli prądów powietrza.

Napędzane cyklami przepływu powietrza, zasoby wody na Ziemi poruszają się własnym cyklem. Kiedy słońce ogrzewa oceany, woda w stanie ciekłym z powierzchni oceanu wyparowuje w parę wodną w powietrzu. Słońce ogrzewa to powietrze (parę wodną i wszystko inne) tak, że wznosi się przez atmosferę i jest unoszone przez prądy wiatrowe. Gdy ta para wodna unosi się, ponownie się ochładza, kondensująca w kropelki ciekłej wody (lub kryształy stałego lodu). Zbiory tych kropelek nazywane są chmury. Jeśli chmura przenosi się do chłodniejszego środowiska, na tych kropelkach może skraplać się więcej wody. Jeśli w ten sposób zgromadzi się wystarczająca ilość wody, kropelki stają się na tyle ciężkie, że spadają w powietrzu jako opad atmosferyczny (deszcz, śnieg, deszcz ze śniegiem lub grad). Część tej wody gromadzi się w dużych, podziemnych zbiornikach, ale większość z nich tworzy rzeki i strumienie, które wpływają do oceanów, przywracając wodę z powrotem do punktu wyjścia.

Ogólnie rzecz biorąc, prądy wiatrowe w atmosferze są dość stałe. O każdej porze roku prądy mają tendencję do przemieszczania się w określony sposób na całym świecie. W związku z tym w niektórych miejscach z roku na rok panują takie same warunki pogodowe. Jednak z dnia na dzień pogoda nie jest tak przewidywalna. Na prądy wiatrowe i opady wpływa wiele czynników, głównie geografia i sąsiednie warunki pogodowe. Ogromna liczba czynników łączy się na nieskończenie wiele sposobów, tworząc różnego rodzaju pogodę. Czasami czynniki te oddziałują na siebie w taki sposób, że nietypowa objętość ciekłej wody gromadzi się w jednym obszarze. Na przykład warunki czasami powodują powstawanie huraganu, który wszędzie zrzuca duże ilości deszczu. Jeśli huragan utrzymuje się nad regionem lub wiele huraganów przejdzie przez ten obszar, ziemia otrzyma znacznie więcej opadów niż normalnie.

W 1927 roku Missisipi wylała, zalewając wiele miast wzdłuż jej wybrzeża. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Ponieważ drogi wodne powstają powoli w czasie, ich rozmiar jest proporcjonalny do ilości wody normalnie gromadzi się w tym obszarze. Kiedy nagle pojawia się znacznie większa objętość wody, normalne cieki wodne wylewają się i woda rozlewa się po otaczającym lądzie. Na najbardziej podstawowym poziomie to właśnie jest powódź - anomalne nagromadzenie wody na obszarze lądu.

Seria burz przynoszących ogromne ilości deszczu jest najczęstszą przyczyną powodzi, ale są też inne. W następnej sekcji przyjrzymy się niektórym sposobom rozpoczynania się powodzi, a także niektórym czynnikom, które określają ich wielkość.

Ulewne deszcze wiosną 2001 roku zalały Davenport w stanie Iowa. Do czasu, gdy wody opadły, miejscowi musieli poruszać się po mieście łodzią. Zdjęcie Wiadomości FEMA

W ostatniej sekcji widzieliśmy, że powodzie występują, gdy na danym obszarze zbiera się nietypowa ilość wody. Istnieje wiele sposobów, w jakie może się to zdarzyć, i istnieje wiele różnych zdarzeń, które mają miejsce, gdy tak się dzieje.

Powodzie, które są znane większości ludzi, mają miejsce, gdy niezwykle duża liczba burz uderza w obszar w dość krótkim czasie. W tym przypadku rzeki i strumienie, które kierują wodę do oceanu, są po prostu przytłoczone. Różne temperatury w różnych porach roku prowadzą do różnych wzorców pogodowych. Na przykład zimą powietrze nad oceanem może być cieplejsze niż powietrze nad lądem, powodując przemieszczanie się wiatru z lądu do morza. Ale latem powietrze nad lądem nagrzewa się, stając się cieplejsze niż powietrze nad oceanem. Powoduje to odwrócenie prądu wiatru, dzięki czemu więcej wody z oceanu jest zbierane i przenoszone przez ląd. To monsun system wiatrowy może powodować okres intensywnych opadów deszczu, który przez pozostałą część roku jest całkowicie niezgodny z klimatem. Na niektórych obszarach powodzie mogą być nasilane przez nadmiar wody z topniejącego śniegu.

Podczas powodzi w 1993 roku wolontariusze w St. Genevieve w stanie Missouri napełnili worki z piaskiem, aby zbudować prowizoryczne wały przeciwpowodziowe. Zdjęcie Wiadomości FEMA

Być może najbardziej znanym przykładem sezonowych powodzi jest coroczna ekspansja Nilu w Egipcie. W starożytnym Egipcie deszcze monsunowe u źródła rzeki powodowały, że latem droga wodna rozciągała się na znaczną odległość. W tym przypadku powódź nie była katastrofą, ale wybawieniem. Rozszerzające się wody okapałyby żyzny muł wzdłuż brzegów rzeki, co czyniło ten obszar idealnym terenem rolniczym po ponownym opadnięciu rzeki. To jeden z głównych czynników, który umożliwił rozkwit cywilizacji na egipskiej pustyni. Obecnie rzekę odgradza w górę tama, która zbiera letni deszcz i wypuszcza go przez cały rok. Wydłużyło to sezon sadzenia, dzięki czemu egipskie gospodarstwa mogą uprawiać rośliny przez cały rok.

Innym częstym źródłem powodzi jest niezwykła aktywność pływowa, która rozszerza zasięg oceanu dalej w głąb lądu niż zwykle. Może to być spowodowane określonymi wzorami wiatrów, które popychają wody oceanu w nietypowym kierunku. Może to być również spowodowane przez tsunami, duże fale w oceanie wywołane zmianą skorupy ziemskiej.

Śródmieście Johnstown w Pensylwanii, po katastrofalnej powodzi w 1889 roku. Oprócz zniszczenia Johnstown, ściana wody zalała także miasta położone dalej „w dół rzeki”, w tym Waszyngton, D.C. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA Śródmieście Johnstown w Pensylwanii, po katastrofalnej powodzi w 1889 roku. Oprócz zniszczenia Johnstown, ściana wody zalała także miasta położone dalej „w dół rzeki”, w tym Waszyngton, D.C. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Powodzie mogą również wystąpić, gdy są spowodowane przez człowieka zapora przerwy. Budujemy tamy, aby modyfikować przepływ rzek do własnych celów. Zasadniczo tama gromadzi wodę rzeczną w dużym zbiorniku, dzięki czemu możemy zdecydować, kiedy zwiększyć lub zmniejszyć przepływ rzeki, zamiast pozwolić, aby natura zdecydowała. Inżynierowie budują tamy, które wytrzymają każdą ilość wody, która może się nagromadzić. Czasami jednak gromadzi się więcej wody, niż przewidywali inżynierowie, a konstrukcja tamy pęka pod ciśnieniem. Kiedy tak się dzieje, ogromna ilość wody jest uwalniana naraz, powodując gwałtowne "ściany" przepychania się wody przez ląd. W 1889 roku taka powódź miała miejsce w Johnstown w Pensylwanii. Mieszkańcy miasta zostali ostrzeżeni, że nadchodzi powódź, ale wielu odrzuciło to ostrzeżenie jako bezpodstawną panikę. Kiedy rwąca ściana wody uderzyła, w ciągu zaledwie kilku minut zginęło ponad 2000 osób.

Stopień powodzi zależy nie tylko od ilości wody, która gromadzi się w czasie, ale także od zdolności lądu do radzenia sobie z tą wodą. Jak widzieliśmy, jednym z elementów tego jest wielkość rzek i strumieni na danym obszarze. Ale równie ważnym czynnikiem jest ziemia chłonność. Kiedy pada, gleba działa jak gąbka. Kiedy ziemia jest nasycony -- to znaczy wchłonął całą wodę, jaką mógł - każda woda, która się gromadzi, musi płynąć jako spływ.

Niektóre materiały nasycają się znacznie szybciej niż inne. Aby zobaczyć, jak to działa, po prostu wyjmij wiadro wody na zewnątrz i spróbuj zmoczyć różne powierzchnie. Gleba w środku lasu to doskonała gąbka. Możesz wylać na nią kilka wiader wody i od razu nasiąknie wodą. Skała nie jest tak chłonna - wydaje się, że w ogóle nie wchłania wody. Gdzieś pomiędzy wypada twarda glina. Ogólnie rzecz biorąc, gleba uprawiana pod uprawy jest mniej nasiąkliwa niż ziemia nieuprawna, więc obszary rolnicze mogą być bardziej narażone na powodzie niż obszary naturalne.

Jedną z najmniej chłonnych powierzchni wokół jest beton. W następnej sekcji zobaczymy, jak beton, asfalt i inne konstrukcje stworzone przez człowieka mogą wpływać na powodzie.

Zalane ulice w St. Genevieve w stanie Missouri. To małe miasteczko było jednym z wielu miast środkowo-zachodnich zniszczonych przez powodzie latem 1993 roku. FEMA News Photo

W ostatniej sekcji widzieliśmy, że stopień powodzi zależy od ilości wody, która gromadzi się na danym obszarze, a także od charakteru powierzchni terenu. Wraz z rozwojem cywilizacji istoty ludzkie zmieniły krajobraz na wiele sposobów. W świecie zachodnim jedną z najbardziej znaczących zmian było pokrywanie ziemi asfaltem i betonem. Oczywiście te powierzchnie nie są najlepszymi gąbkami w okolicy: prawie cały deszcz, który się gromadzi, staje się spływem. Na obszarze uprzemysłowionym bez dobrego systemu odwadniającego może nie wystarczyć dużo deszczu, aby spowodować znaczne powodzie.

Niektóre miasta, takie jak Los Angeles, zbudowały betonowe kanały przeciwpowodziowe, aby zapobiec temu problemowi. Kiedy pada dużo, woda wpływa do tych kanałów, które meandrują poza miasto, gdzie woda jest lepiej wchłaniana. Tego rodzaju systemy mogą jednak powodować powodzie w dalszej części linii. Kiedy pokrywasz obszar betonem i asfaltem, zasadniczo odcinasz część naturalnej gąbki Ziemi, więc reszta gąbki ma dużo więcej wody, z którą trzeba sobie poradzić.

Podobny problem może się pojawić w przypadku wały przeciwpowodziowe, duże mury zbudowane wzdłuż rzek, aby zapobiec ich wylewaniu. Struktury te rozciągają naturalne brzegi rzeki, dzięki czemu może przepływać przez nią znacznie więcej wody. Ale chociaż mogą być skuteczne w utrzymywaniu wody z dala od jednego obszaru, zwykle pogarszają problemy w obszarze w dół, gdzie nie ma wałów przeciwpowodziowych. Ten obszar obejmuje wszystkie wody powodziowe, które rozprzestrzeniłyby się dalej w górę rzeki. Innym niebezpieczeństwem ze strony wałów przeciwpowodziowych jest to, że podobnie jak tamy mogą się one złamać. W takim przypadku duża ilość wody wypływa na ląd w krótkim czasie. Może to spowodować jedne z najbardziej niebezpiecznych warunków powodziowych.

Mury falochronu w stanie Maryland, zbudowane w celu powolnej erozji plaży Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Ludzie nie odnieśli wielkiego sukcesu w kontrolowaniu powodzi wzdłuż wybrzeży. Nadmiar wody na tych obszarach jest szczególnie niszczący dla konstrukcji wykonanych przez człowieka z powodu erozji, którą powoduje. Jedną z metod kontrolowania tej erozji jest budowa płotów i ścian w miejscach, gdzie woda styka się z lądem. Dzięki temu fale nie są narażone na zatarcie, więc nie niszczą plaży. Ale struktury zakłócają również proces formowania się plaży. Kiedy blokujesz przepływ wody w kierunku wybrzeża, ocean nie może rozprowadzać piasku i nie masz pięknych plaż.

Innym problemem związanym z płotami i ścianami jest to, że tylko tyle mogą zrobić. Zasadniczo plaże zmieniają środowisko, ukształtowane przez wszechogarniającą siłę oceanu. Są ze swej natury, domniemany być zerodowanym i poruszonym przez dynamiczne działanie fal. Powodzie są regularną częścią tego procesu i najprawdopodobniej będą nadal występować bez względu na to, co zrobimy.

Wały przeciwpowodziowe wzdłuż rzeki Mississippi podczas wielkiej powodzi w 1927 r. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

To samo można powiedzieć o wielu obszarach śródlądowych. Podczas gdy rzeka może wydawać się stabilną, nieporuszoną częścią krajobrazu, jest to naprawdę żywa, dynamiczna jednostka. Dotyczy to zwłaszcza dużych rzek, takich jak Missisipi w Stanach Zjednoczonych oraz Jangcy i Huang He w Chinach. Z biegiem czasu te drogi wodne rozszerzają się, radykalnie zmieniają swoją ścieżkę, a nawet mogą zmieniać kierunek przepływu. Z tego powodu tereny wokół brzegów rzeki są bardzo podatne na powodzie.

Niestety rzeki są również naturalnymi atrakcjami dla cywilizacji. Zapewniają między innymi stały dopływ wody, żyzne gleby i łatwy środek transportu. Kiedy poziom wody jest niski, ludzie budują wzdłuż jej brzegów i cieszą się wszystkimi jej dobrodziejstwami. W pewnym momencie przychodzi czas, aby woda się przesunęła, a ludzie, którzy budowali wzdłuż równin zalewowych, szybko odkrywają, że żyją na złym gruncie. Jeśli na tych obszarach będzie prowadzona intensywna budowa, szkody powodziowe mogą być katastrofalne.

W następnej sekcji przyjrzymy się różnym rodzajom szkód powodziowych, aby zobaczyć, jak zwykła woda może być niszczycielską siłą.

Samochody spiętrzone podczas gwałtownej powodzi w 1972 roku w Rapid City w Dakocie Południowej. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Największe szkody spowodowane powodziami, utrata życia i domów, są spowodowane przede wszystkim siłą płynącej wody. Podczas powodzi 60 cm wody może przemieścić się z siłą wystarczającą do zmywania samochodu, a 15 cm wody może zrzucić z nóg. Zaskakujące może się wydawać, że woda, nawet dużo wody, może tak spakować. W końcu możesz spokojnie pływać w oceanie bez obijania się, a to ogromna ilość poruszającej się wody. W większości przypadków płynąca rzeka nie jest wystarczająco silna, aby cię przewrócić. Dlaczego więc wody powodziowe zachowują się inaczej??

Dom, który został przeniesiony w dół rzeki przez powódź w 1997 r. W Arboga w Kalifornii. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Wody powodziowe są bardziej niebezpieczne, ponieważ mogą wywierać znacznie większe ciśnienie niż zwykła rzeka lub spokojne morze. Wynika to z ogromnych różnic w objętości wody, które występują podczas wielu powodzi. W przypadku powodzi na jednym obszarze może zebrać się dużo wody, podczas gdy w innym prawie nie ma wody. Woda jest dość ciężka, więc porusza się bardzo szybko, aby „znaleźć swój własny poziom”. Im większa różnica między objętościami wody na danym obszarze, tym większa siła ruchu. Ale w pewnym momencie woda nie wygląda tak głęboko, więc nie wydaje się szczególnie niebezpieczna - dopóki nie jest za późno. Prawie połowa wszystkich ofiar śmiertelnych powodzi jest wynikiem prób przejechania samochodami przez rwącą wodę. W oceanie jest znacznie więcej wody niż podczas powodzi, ale nie przewraca nas ona, ponieważ jest dość równomiernie rozłożona - woda w spokojnym morzu nie spieszy się, aby znaleźć swój własny poziom.

Najbardziej niebezpieczne są powodzie gwałtowne powodzie, które są spowodowane nagłym, intensywnym gromadzeniem się wody. Błyskawiczne powodzie uderzają w obszar wkrótce po tym, jak woda zaczyna się gromadzić (czy to z powodu nadmiernego deszczu, czy z innej przyczyny), więc przez większość czasu ludzie nie widzą, jak nadchodzą. Ponieważ na jednym obszarze zbiera się dużo wody, gwałtowne powodzie przemieszczają się z dużą siłą, odrzucając ludzi, samochody, a nawet domy. Błyskawiczne powodzie mogą być szczególnie niszczycielskie, gdy silna burza zrzuca na górę dużą ilość deszczu. Woda spływa z góry z ogromną prędkością, omijając wszystko w dolinach poniżej.

Przyczepa, samochód i słup telefoniczny spiętrzone przez powódź w 1977 r. W Georgii Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

Jedna z największych gwałtownych powodzi w historii Stanów Zjednoczonych miała miejsce w 1976 r. W Big Thompson Canyon w Kolorado. W mniej niż pięć godzin burze na pobliskich obszarach zrzuciły więcej deszczu niż region zwykle doświadcza w ciągu roku. Rzeka Big Thompson, zwykle płytka, wolno płynąca droga wodna, nagle przekształciła się w niepowstrzymany potok, zrzucając do kanionu 233 000 galonów (882 000 l) wody co sekundę. Tysiące obozowiczów zebrało się w kanionie, aby uczcić stulecie stanu Kolorado. Powódź nastąpiła tak szybko, że nie było czasu na ostrzeżenie. Kiedy uderzył, setki osób zostało rannych, a 139 zginęło.

Mniej katastrofalnym rodzajem uszkodzenia jest zwykła wilgoć. Większość budynków chroni przed deszczem, ale nie są one wodoszczelne. Jeśli poziom wody jest wystarczająco wysoki, do domów przedostaje się dużo wody, wszystko nasiąka. Jednak w większości przypadków głównym szkodliwym elementem nie jest sama woda, ale błoto, które ze sobą przynosi. Gdy woda przepływa po krajobrazie, zbiera wiele śmieci. Kiedy powódź się kończy, poziom wody spada i wszystko w końcu wysycha, ale błoto i gruz pozostają.

Ratownicy walczą w górę rzeki z rwącymi wodami podczas gwałtownej powodzi w 1975 roku, która nawiedziła Rockville w stanie Maryland. Zdjęcie dzięki uprzejmości NOAA

W 1966 roku potężny sztorm zalał Arno, włoską rzekę przepływającą przez Florencję. Małe miasto, jedna ze stolic sztuki na świecie, zostało zalane wodą, błotem i ogólnym szlamem. Oprócz ofiar śmiertelnych i zniszczeń budynków, zbiory sztuki miasta zostały zniszczone. Błoto i szlam pokrywały prawie wszystko, co znajdowało się w miejskich piwnicach i pomieszczeniach na parterze. Dzięki wieloletniej pracy naukowcom i historykom sztuki udało się przywrócić większość uszkodzonych artefaktów do dobrego stanu.

Innym rodzajem szkód powodziowych jest rozprzestrzenianie się chorób. Gdy woda przepływa przez dany obszar, może zbierać wszelkiego rodzaju chemikalia i produkty odpadowe, co prowadzi do wyjątkowo niehigienicznych warunków. Zasadniczo wszystko i wszyscy w powodzi unoszą się w jednej dużej zupie. Chociaż choroby zwykle nie są powodowane przez te warunki, są one łatwiejsze do przenoszenia (większość chorób łatwiej przenosi się w wodzie niż w powietrzu). Jeśli jesteś na zalanym obszarze, bardzo ważne jest, aby pić tylko wodę butelkowaną lub przegotowaną i przestrzegać innych przepisów sanitarnych. Aby dowiedzieć się więcej o tym, co robić w warunkach powodzi, zapoznaj się z tym przewodnikiem wydanym przez Center for Disease Control.

Nigdy nie będziemy w stanie powstrzymać powodzi. Jest to nieunikniony element w złożonym systemie pogodowym naszej atmosfery. Możemy jednak pracować nad zminimalizowaniem szkód spowodowanych przez powodzie, budując wyrafinowane tamy, groble i systemy kanałów. Ale najlepszym sposobem uniknięcia szkód powodziowych może być całkowite wycofanie się z obszarów zagrożonych powodzią. Podobnie jak w przypadku wielu zjawisk naturalnych, najbardziej rozsądną reakcją na powódź może być zejście z drogi.

Powiązane artykuły

• Jak działają huragany
• Jak działają trzęsienia ziemi
• Jak działają tornada
• Jak działa błyskawica
• Jak mierzą „poziom morza”?
• Co powoduje pory roku?
• Co to jest Nor'easter?
• Gdyby polarne czapy lodowe stopiły się, jak bardzo podniosłyby się oceany?
• Dlaczego huragany poruszają się tak, jakby miały własny umysł?
• Jaka jest różnica między śniegiem, deszczem ze śniegiem a marznącym deszczem?
• Dlaczego na szczycie góry jest chłodniej niż na poziomie morza?
• Quiz znikającego jeziora

Więcej świetnych linków

• National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)
• Federalna Agencja Zarządzania Kryzysowego (FEMA)
• Specjalna powódź NOVA
• Radzenie sobie z powodziami
• Tematy powodziowe