De natuurkunde van wolkenpatronen
Reinout van den BornIn wolkenluchten zie je vaak regelmatige patronen, zoals ‘schapenwolken’ of wolken in de vorm van evenwijdige banen op regelmatige afstanden. In dit verhaal leggen we uit welke vormen van onstabiliteit er zijn. En hoe de wolken, die eruit voorkomen, eruit zien.
In de hele natuur kom je trouwens regelmatige patronen tegen, niet alleen maar in wolkenluchten. Denk maar aan de zandribbels op het strand, die zowel onder het stromende water als op het droge strand ontstaan door de wind, maar ook aan golven op het water ten gevolge van de wind.
In het algemeen ontstaan zulke structuren door een of andere onstabiliteit in een stromingspatroon. Het woord ‘onstabiliteit’ valt vaak in de meteorologie. In het algemeen leidt onstabiliteit tot een reactie die probeert om van de onstabiele toestand weer een stabiele te maken, bijvoorbeeld een thermiekstroom. Vaak leidt dat tevens tot een of andere regelmatige structuur van cellen, golven of ribbels. De genoemde zandribbels en golven op het water zijn daar een voorbeeld van.
In weersituaties hebben we te maken met twee onderscheidbare typen onstabiliteit die allebei, en elk op zich, een periodieke structuur van luchtwervels kunnen opleveren – op grotere of op kleinere schaal, dat hangt van de situatie af.
Als zulke luchtwervels optreden in vochtige lucht die net tegen het condensatiepunt aan zit, wordt de structuur van die wervels zichtbaar in een corresponderende structuur van bewolking, zoals schapenwolken dus. We zullen hier eerst die twee onstabiliteiten bespreken.
Thermische inversie
Het eerste type is de thermische inversie. Daarbij gaat het om de situatie ‘warm beneden, koud boven’, wat neerkomt op ‘lichter beneden, zwaarder boven’ (doordat lucht bij verwarming uitzet en dus lichter wordt). En die situatie is onstabiel, omdat er energiewinst wordt behaald als de zwaardere laag onder de lichtere terechtkomt.
In een laboratorium kun je onderzoeken wat er gebeurt in een geïdealiseerd modelsysteem waarin je die ‘warm beneden, koud boven’-situatie namaakt in een platte doos. Neem bijvoorbeeld een doos met een bodem en een deksel van een vierkante meter en een hoogte van een paar centimeter. Bodem en deksel worden allebei met een thermostaat op een constante temperatuur gehouden, de bodem bijvoorbeeld op 30 °C en de deksel op 0 °C.
De doos wordt horizontaal neergezet. Na een korte tijd ontstaat in de doos een regelmatig, bijenraatachtig patroon van convectiecellen, die naar de ontdekker van het effect Bénardcellen worden genoemd. In het midden van zo’n cel stroomt de lucht, die op de bodem is verwarmd, naar boven (dat is dus een thermiekstroom) en aan de randen, langs het patroon van de zeshoekige celwanden, stroomt de inmiddels afgekoelde lucht weer naar beneden.
Afmeting van de cellen
De afmeting van de cellen is vergelijkbaar met de hoogte van de doos. Je kunt Bénard-cellen met een maat van millimeters maken in een dunne laag vloeistof in een petrischaal, en eigenlijk zijn de verspreide thermiekbellen die op een warme zomerdag onder de cumuluswolken zitten ook een vorm van Bénard-cellen, maar dan eerder op een schaal van kilometers.
In een weersituatie waarbij we ook nog met wolkvorming, dus condensatie van waterdamp te maken hebben, wordt het mechanisme nog gecompliceerder doordat de condensatie- respectievelijk verdampingsovergang zelf ook een rol speelt in het zwaarder en lichter worden van de lucht. Het blijft een Bénard-type onstabiliteit, alleen wordt de natuurkundige beschrijving ervan nog wat ingewikkelder. Toch zijn al die processen goed wiskundig te beschrijven en ook met computermodellen te simuleren.
De Bénard-onstabiliteit treedt in zijn zuiverste vorm op in de zojuist besproken afgesloten doos en heeft dus niets met wind of snelheidsverschillen te maken.
Kelvin-Helmholtz-onstabiliteit
Het tweede type onstabiliteit waarmee we in de meteorologie te maken hebben, heeft daar juist wel mee te maken: dat is de zogenaamde Kelvin-Helmholtz-onstabiliteit, die zorgt voor het ontstaan van golven aan het oppervlak tussen twee lagen die ten opzichte van elkaar bewegen.
Voorbeelden daarvan zijn de golven die de wind op een wateroppervlak of een laag stuifzand maakt of de zandribbels op de bodem van een stromende beek. Deze onstabiliteit berust dus niet op thermische inversie, maar op de mechanische onstabiliteit in een inhomogeen stromingsprofiel dat leidt tot het ontstaan van wervels in het stromende medium.
Op hun beurt veroorzaken die wervels weer vormveranderingen in het medium eronder, dat wil zeggen in het wateroppervlak of de zandlaag. Een typisch verschil tussen de Bénard-onstabiliteit en de Kelvin-Helmholz onstabiliteit is dat de eerste een zeshoekige cellenstructuur oplevert en de tweede een golf- of ribbelstructuur, met de ribbels loodrecht op de stroomrichting. (Om het ingewikkeld te maken: je kunt ook wel rol- of cilindervormige Bénard-cellen krijgen in plaats van zeshoekige door de doos uit het experiment niet horizontaal maar schuin of verticaal op te stellen.)
Mengvormen
Hoewel de oorzaken van de twee onstabiliteiten (Bénard en Kelvin-Helmholtz) dus duidelijk verschillend en onderscheidbaar zijn, treden ze in veel weerssituaties gelijktijdig op. In veel gevallen waarin je schapenwolken of regelmatige ribbels in wolkpatronen ziet, heb je dan ook met een mengvorm te maken.
Dat kan bijvoorbeeld optreden als koudere en warmere luchtlagen met verschillend vochtgehalte in de buurt van een front over elkaar heen schuiven. Er ontstaat aan de grens tussen beide luchtlagen dan een relatief dunne menglaag, met een dikte van tientallen tot honderden meters, waarbij in de verticale richting de temperatuur, de horizontale luchtsnelheid en het vochtgehalte variëren. Zo kunnen de condities voor beide typen onstabiliteit aanwezig zijn, zodat mengvormen van Bénard-cellen en golfpatronen ontstaan, in elk geval dus regelmatige patronen van stijgende en dalende luchtmassa’s. Als de waterdamp in de lucht juist tegen de condensatiedrempel aan zit, worden de patronen zichtbaar als wolkenbanen of schapenwolken.
Afhankelijk van het type dat de overhand heeft, krijgen we losse wolkenplukjes of langere strepen. Waait er een stevige wind, dan kunnen evenwijdig aan de stromingsrichting wolkenstraten ontstaan. De afmeting van de structuren hangt helemaal af van de laagdikte van de onstabiele situatie. Soms is die gering, tientallen tot honderden meters, zoals bij altocumulus of cirrocumulus. Maar ook op veel grotere schaal komen golfstructuren voor, zodat we zelfs op satellietfoto’s de wolkenbanen kunnen zien.
In berggebieden
Een typisch geval van Kelvin-Helmholtz golfpatronen op wolken is soms te zien in berggebieden, waar in een bergdal soms een bewolkingslaag als een plas vloeistof is opgesloten. Wandelend, hoger in de bergen kun je die mooi beneden je zien liggen; door de zwaarte van de koude en vochtige laag blijft de ‘plas’ stil in het dal liggen.
Dat is weliswaar geen typisch Hollandse situatie, maar omdat het zulke spectaculaire wolkgolven kan opleveren, verwijzen we er toch even naar. Als er dan over de omringende bergkammen wat wind komt die over die wolkenplas heen blaast, kunnen duidelijke golven ontstaan die doen denken aan golven op een wateroppervlak, maar met een veel grotere golflengte.
Dit verhaal is afkomstig uit het boek Hollandse Wolkenluchten. Dit boek is geschreven door Harry Otten, Grieta Spannenburg, Reinout van den Born, Tom van der Spek en anderen en telt 192 pagina’s. Het ISBN-nummer is: 9789021545639
