Koudepoelen onder de loep: wat maakt een duinpan zo koud?

Foto boven: De opstelling onderin duinpan Bol 2 - Pieter Bliek

Tijdens heldere, windstille nachten kan het in een duinpan veel kouder worden dan daarbuiten. Er ontstaat dan een koudepoel: een verzameling koude lucht die onderin de laagte blijft hangen.

Vrieskoujagers Pieter Bliek en Karel Holvoet onderzoeken hoe dat precies werkt. Met steeds uitgebreidere meetapparatuur volgen ze niet alleen de temperatuur en de wind, maar ook de uitwisseling van warmte tussen de bodem, de lucht en de hemel. Een nieuwe infraroodsensor brengt nu ook de temperatuur van het duinoppervlak nauwkeurig in beeld.

De opstelling onderin duinpan Bol 2 - Pieter Bliek

Snel naar Bol 2

‘Als helder en windstil weer op komst is, pak ik snel mijn meetapparatuur bij elkaar en rijd ik naar een duinpan’, vertelt Pieter. Samen met zijn collega-vrieskoujager Karel onderzoekt hij het nachtelijke temperatuurverloop in deze bijzondere microklimaten: plekken waar het weer op kleine schaal sterk van de omgeving kan afwijken.

Advertentie

Dat gebeurt ook in duinpan Bol 2, in het Bergense Bos aan de Noord-Hollandse kust. Daar verdween donderdagmiddag de bewolking langzaam, toen een zwakke rug van hogedruk passeerde. Er stond nog wel een stevige oostenwind. Toch besloot Pieter zijn spullen te pakken. Rond half vier vertrok hij naar de duinpan.

Opbouwen voordat het donker wordt

Een meetnacht begint met flink wat sjouwwerk. Pieter moet twee keer tussen de auto en de duinpan heen en weer lopen om alle apparatuur op haar plek te krijgen. Daarna moet hij alles nog opstellen en aansluiten. Bij elkaar kost dat al gauw meer dan een uur.

‘De zon gaat rond deze tijd al om een uur of vijf onder. Het is dus stevig aanpoten om alles voor zonsondergang klaar te hebben’, vertelt hij. ‘Vlak voordat het te veel gaat schemeren, zet ik de apparatuur aan en beginnen de metingen. Als alles goed staat, kan ik met een gerust hart naar huis. De volgende ochtend breek ik de opstelling rond zonsopkomst, tegen een uur of acht, weer af.’

De meetopstelling van dichtbij - Pieter Bliek

De apparatuur hebben de vrieskoujagers de afgelopen jaren stukje bij beetje verzameld. Verschillende bedrijven steunen hun onderzoek en hebben meetinstrumenten beschikbaar gesteld.

Advertentie

Zo kregen ze van een Amerikaanse fabrikant een netto-radiometer. Die meet hoeveel stralingsenergie binnenkomt en hoeveel er weer verdwijnt. Een Duitse fabrikant sponsorde een ultrasone windmeter, die zelfs heel kleine luchtbewegingen registreert. Onlangs kocht Pieter bij de Amerikaanse fabrikant ook een infraroodsensor, waarmee hij de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van ongeveer één vierkante meter duinbodem kan meten.

Waar blijft de warmte?

Om te begrijpen waarom een duinpan afkoelt, is alleen een thermometer niet voldoende. De bodem verliest tijdens een heldere nacht warmte door straling uit te zenden. Tegelijkertijd ontvangt hij ook straling uit de atmosfeer. Het verschil tussen wat binnenkomt en wat verdwijnt, bepaalt mede hoe snel het oppervlak afkoelt.

De netto-radiometer meet zowel kortgolvige straling, zoals zonlicht, als langgolvige warmtestraling. Iedere minuut legt de apparatuur vast hoeveel energie per saldo binnenkomt of verloren gaat. Dat gebeurt in watt per vierkante meter.

De ultrasone windmeter meet vier keer per seconde de windsnelheid, tot op een honderdste meter per seconde. Zo worden ook windzuchtjes zichtbaar die je nauwelijks voelt. De infraroodsensor volgt ondertussen de oppervlaktetemperatuur. In de bodem zitten bovendien temperatuursensoren op twee en vijf centimeter diepte. Ook wordt de warmtestroom door de bodem gemeten.

Meetgegevens gaan naar een datalogger

Alle meetgegevens worden opgeslagen in een datalogger. Daarmee kunnen Pieter en Karel later de energiebalans van de duinpan berekenen: hoeveel warmte komt erbij, hoeveel verdwijnt en hoeveel wordt vanuit de bodem aangevoerd? ‘Uiteindelijk willen we daarmee ook beter kunnen inschatten hoe de temperatuur zich in zo’n duinpan ontwikkelt’, legt Pieter uit.

Daarnaast meten ze de luchttemperatuur en de relatieve luchtvochtigheid op tien centimeter en anderhalve meter hoogte. Dat doen ze zowel op het laagste punt als op de rand van de duinpan. ‘Zo zien we hoe het temperatuurverloop binnen en buiten de duinpan verschilt. Ook kunnen we vaststellen wanneer zich onderin een koudepoel vormt.’

Ruim zeven graden kouder in drie uur

Die donderdagavond liet de koudepoel lang op zich wachten. De stevige oostenwind nam pas halverwege de avond af. Rond 22.25 uur begon zich onderin Bol 2 een koudepoel te vormen. De luchttemperatuur vlak boven de grond bedroeg toen nog 3,61 graden. Drie uur later, om 01.25 uur, was daarvan weinig over: de thermometer wees inmiddels 3,86 graden onder nul aan. Een daling van 7,47 graden.

Volgens Pieter kon de temperatuur zo sterk dalen doordat de lucht in de duinpan vrijwel tot rust was gekomen. De windmeter registreerde nog maar enkele tienden van een meter per seconde. Daardoor werd de koude lucht onderin nauwelijks met warmere lucht gemengd.

Opvallend was wat daarna gebeurde. De temperatuur steeg weer tot ruim 3 graden boven nul, terwijl de wind niet toenam. ‘Mogelijk speelde condensatie op de begroeiing een rol’, zegt Pieter. Als waterdamp op planten condenseert, komt warmte vrij. Dat zou kunnen bijdragen aan een stijging van de oppervlaktetemperatuur en vervolgens van de lucht erboven.

‘Dankzij de nieuwe infraroodsensor kunnen we nu ook volgen wat er op zulke momenten met de temperatuur van het oppervlak gebeurt.’ Of condensatie de opwarming daadwerkelijk verklaart, moet uit verdere analyse blijken.

Opnieuw afkoeling, zonder minder wind

Tegen 04.55 uur ontstond die nacht een tweede koudepoel. Ditmaal liet de ultrasone windmeter rond het begin van de afkoeling geen duidelijke afname van de wind zien. Pieter zoekt de verklaring daarom in een andere richting.

‘We zagen dat de netto-straling rond dat moment van ongeveer –56 naar –66 watt per vierkante meter ging.’ Het minteken betekent dat het oppervlak meer stralingsenergie verliest dan ontvangt. Bij –66 watt per vierkante meter is dat verlies dus groter dan bij –56.

‘Mogelijk werd de lucht minder vochtig, waardoor vanuit de atmosfeer minder warmtestraling bij de bodem terechtkwam’, vermoedt Pieter. ‘Die extra tien watt energieverlies per vierkante meter kan hebben bijgedragen aan een temperatuurdaling van enkele graden.’ Hoe groot die bijdrage precies was en welke andere processen meespeelden, moet nog worden onderzocht.

Een wolkenveld maakt het ineens warmer

Ook tijdens de meetnacht van maandag op dinsdag bleek hoe sterk veranderingen boven de duinpan kunnen doorwerken in de temperatuur. Pieter stelde zijn apparatuur opnieuw in Bol 2 op. Nadat alles op zijn plaats stond, trok een wolkenveld over.

Bij vrijwel windstil weer steeg de luchttemperatuur vlak boven de grond in twee uur tijd van –0,27 naar 4,00 graden. Tegelijkertijd nam het nettoverlies aan stralingsenergie met ruim twintig watt per vierkante meter af.

Wolken zenden zelf warmtestraling uit, ook naar de grond. Daardoor ontvangt het oppervlak meer energie en koelt het minder sterk af. Tijdens deze meetnacht liep de temperatuur zelfs duidelijk op. ‘Het effect op de oppervlaktetemperatuur was nog groter dan op de luchttemperatuur’, vertelt Pieter. ‘Het duinoppervlak warmde van –1,5 naar 4,2 graden op.’

De metingen laten daarmee zien dat niet alleen de wind belangrijk is. Ook een overtrekkend wolkenveld kan het temperatuurverloop in een duinpan binnen korte tijd sterk veranderen.

Welke invloed weegt het zwaarst?

Met de uitgebreidere meetopstelling breekt voor de vrieskoujagers een nieuwe fase aan. Ze willen steeds beter begrijpen hoe wind, straling, luchtvochtigheid en bodemwarmte samen bepalen als een koudepoel ontstaat, hoe koud die wordt en wanneer hij weer verdwijnt. ‘We zijn nog volop aan het testen’, benadrukt Pieter. ‘Eerst moeten we zorgen dat alle metingen goed op elkaar zijn afgestemd. Daarna kunnen we de gegevens van heldere en windstille nachten in overzichten en grafieken naast elkaar leggen.’

Daarbij hebben ze verschillende vragen. Hoe groot is de invloed van de wind, en bij welke windsnelheid wordt de koudepoel verstoord? Wat gebeurt er als de lucht vochtiger of droger wordt, of als bewolking overtrekt? En hoeveel warmte komt er vanuit de bovenste bodemlagen naar het oppervlak? ‘Al die invloeden willen we onderzoeken. Daarvoor hebben we nog veel meetnachten nodig.’

Een volgende gelegenheid dient zich mogelijk al snel aan. Voor het komende weekend wordt opnieuw een rug van hogedruk boven Nederland verwacht. ‘Mocht het helder worden, dan zou het zomaar kunnen dat ik de meetapparatuur weer ergens in een duinpan opstel.’

De apparatuur: straling en oppervlaktetemperatuur

Voor het meten van de inkomende en uitgaande kort- en langgolvige straling gebruiken de vrieskoujagers een netto-radiometer van de Amerikaanse fabrikant Apogee. Van dezelfde fabrikant is de nieuwe infraroodsensor voor de oppervlaktetemperatuur.

Die sensor staat op een hoogte van één meter en is onder een hoek van 40 graden op de bodem gericht. Zo meet hij de gemiddelde oppervlaktetemperatuur van ongeveer één vierkante meter, tot op tienden van graden.

Meer informatie: Apogee Instruments.

De apparatuur: gegevens opslaan en sensoren aansluiten

De netto-radiometer, de infraroodsensor en de ultrasone windmeter zijn aangesloten op een datalogger van het Nederlandse bedrijf RMA Hydromet. Dat bedrijf is gespecialiseerd in sensortechniek en het aansluiten van sensoren op in Nederland ontwikkelde dataloggers.

De drie sensoren worden gevoed door een accu die voldoende energie levert om een hele nacht te meten.

Speciale dank gaat uit naar Rob ter Brake van RMA Hydromet. Hij heeft de sensoren op de datalogger aangesloten en de opstelling uitvoerig getest. Mede dankzij zijn deskundigheid is dit onderzoek mogelijk gemaakt.

Meer informatie over de dataloggers en de aansluitmogelijkheden: RMA Hydromet.