Icon up Overzicht

Wolken

Onderwerp: Gas en vloeistof, Thermische processen, Weerkunde en oceanografie

Er is een aparte vakgroep op de TU Delft die onderzoek doet naar wolken. Wolken zijn namelijk van groot belang in ons leven. Zonder wolken geen regen en zonder regen geen boer die zijn land kan verbouwen. Dat is maar een van de talloze voorbeelden waarom wolken belangrijk zijn in ons leven. Een ander belangrijk punt van wolken en waarom een technische universiteit zich bezig houdt met wolken, is het klimaat. Water is namelijk een broeikasgas en speelt dus een belangrijke rol in het broeikaseffect. Met meer informatie over hoe wolken ontstaan, hoe groot ze worden, welke factoren een rol spelen in het ontstaan van een wolk, kunnen betere klimaatmodellen gemaakt worden. Daarmee komen wellicht nieuwe ideeën rond oplossingen voor het klimaatprobleem.
Afgelopen half jaar heb ik onderzoek gedaan naar wolken op de vakgroep “Warmte en stroming” van de TU Delft. Om wat te kunnen vertellen over dit onderzoek en de resultaten daarvan is het belangrijk om wat te weten over wolken en hoe ze ontstaan.

Fig1. De rode lijn is de temperatuur van de wolk en de zwarte lijn is de temperatuur van de omgeving. De wolk kan stijgen totdat de temperatuur van de omgeving hoger is dan die van de wolk.

De aarde wordt opgewarmd door de zon. Dit heeft tot gevolg dat bijvoorbeeld oceaanwater verdampt. Deze waterdamp stijgt op door warme thermieken. Op een bepaalde hoogte (afhankelijk van de plaats en de temperaturen, maar ongeveer 500 m) gaat de waterdamp condenseren. Dit is te zien als een witte wolk. Wat te zien is als wolk zijn dus echte waterdruppels.

Waarom zijn wolken soms zwart of heel donker?
Wolken zijn altijd wit, de donkere wolken die we zien zijn eigenlijk schaduwen van andere wolken of de schaduw van de wolk zelf!

Fig2. Cumulus wolken zoals we die elke dag zien.

Zoals we weten komt er veel energie vrij bij het condenseren van waterdamp. De vrijgekomen energie, in de vorm van warmte, is de motor van de wolk. De wolk wordt iets warmer, en we weten dat warme lucht stijgt, dus de wolk zal verder omhoog gaan. Hoger in de lucht is het kouder en zal er meer waterdamp condenseren, de wolk zal dan weer verder stijgen. Dit gaat door tot de inversie. De inversie is een plotselinge temperatuurstijging van de omgeving. De omgevingstemperatuur is ineens warmer dan de wolk en de wolk zal dus niet meer stijgen. De wolk botst als het ware tegen een plafond van warme lucht! Zie ook de figuur 1.
De inversie is maar een relatief dun plafond en een grote wolk kan met veel hulp van de zon door de inversie heen breken. De in het onderzoek betrokken wolken kwamen niet door de inversie heen. Deze welbekende schapenwolken worden cumulus genoemd.

We weten nu dat er massa opwaarts wordt getransporteerd door een wolk, maar wat gebeurt er met de plaatsen waar er geen wolk is?
De Boussinesq aanname mag toegepast worden: Dit houdt in dat de dichtheid van de lucht ongeveer gelijk blijft. Als er dan massa van A naar B wordt verplaatst moet er ook massa verplaatst worden van C naar A en van B naar C. Als er geen massa getransporteerd zou worden van C naar A en van B naar C, dan zou er bij B veel meer massa zijn, en zou de dichtheid tussen A en B verschillen. Maar er was net gezegd dat de dichtheid hetzelfde blijft, dus moet er ook massatransport zijn tussen de andere punten. Zie de figuur hieronder.

Fig3. Wanneer er massa getransporteerd wordt van A naar B dan moet er ook massa getransporteerd worden van B naar C en van C naar A.

Wanneer dit idee verplaatst wordt naar wolken dan is A de plaats waar het condenseren van waterdamp en dus de wolkvorming begint, B is hoog in de lucht, maar in de wolk. C is dan de omgeving waar geen wolk is. Er is massatransport omhoog in de wolk en dus moet er neerwaartse massatransport zijn in de omgeving. Zie de figuur hieronder.

Fig4. Er is massatransport omhoog in de wolk van A naar B, er moet dus ergens uitwisseling zijn van massa van B naar C. In de omgeving moet de snelheid negatief zijn, om het totaal transport terug te brengen naar 0 .

We weten nu dat er ergens in de omgeving evenveel massa naar beneden moet gaan als er in de wolk omhoog gaat. Over waar de massa precies naar beneden gaat zijn twee verschillende ideeën.

We weten nu dat er ergens in de omgeving evenveel massa naar beneden moet gaan als er in de wolk omhoog gaat. Over waar de massa precies naar beneden gaat zijn twee verschillende ideeën.

Fig5. Een positieve snelheid in de wolk en een homogene negatieve snelheid in de omgeving. (figuur van H.J.J. Jonker).

Het tweede model is ontstaan na een studie met vliegtuigmetingen. Er zijn metingen gedaan met behulp van vliegtuigen naar de verticale snelheden van de lucht. Hieruit was duidelijk op te maken dat er een snelheidsdip net naast de wolk zit. Ook was te zien dat de gemiddelde verticale snelheid buiten de wolk ongeveer nul is. Het model zou er zo uit moeten zien.

Fig6. De vliegtuigmetingen laten een snelheidsdip zien net naast de wolk. De wolken zijn herschaalt naar een eenheidslengte.

Fig7. Het nieuwe model met een grote negatieve snelheid bij de rand van de wolk en een gemiddelde snelheid van 0 in de omgeving. (figuur van H.J.J. Jonker).

Is het mogelijk te verklaren waarom die kleine negatieve snelheid naast de wolk alle massatransport in de wolk kan compenseren?
Want anders zou de verre omgeving niet stil staan! Laten we eens van bovenaf naar de wolk kijken. Wanneer de wolk benadert wordt alsof het een cilindrische vorm heeft kan er een cirkel getrokken worden om het gedeelte waar er een negatieve snelheid (d.w.z. een snelheid omlaag) is, dit stuk noemen we vanaf nu de shell.

Fig8. We zien dat het oppervlak waarin een negatieve snelheid is erg groot is ten opzichte van het oppervlak van de wolk.

Verticale massatransport (in kg/s) wordt gedefinieerd als oppervlak (in m2) vermenigvuldigd met de dichtheid (in kg/m3) vermenigvuldigd met de verticale snelheid (in m/s). Hoe sneller de lucht stroomt hoe meer massa er getransporteerd wordt. We doen een aanname dat de dichtheid ongeveer gelijk blijft. We kunnen zien dat het oppervlak waar een negatieve snelheid is, de shell, veel groter is dan het oppervlak van de wolk. De lage negatieve snelheid vermenigvuldigd met het grote oppervlak van de shell, is dus gelijk aan de hoge snelheid van de wolk vermenigvuldigd met het relatief kleine oppervlak van de wolk. Het is dus de grootte van het oppervlak dat hier heel belangrijk is!

Fig9. De nieuwe methode gemaakt door dr. ir. H.J.J. Jonker, voor elk meetpunt wordt de afstand tot de dichtstbijzijnde wolkenrand bepaald. Daarna wordt de verticale snelheid van alle meetpunten op een bepaalde afstand r bij elkaar opgeteld.

Universitair docent Harm Jonker heeft een nieuwe methode bedacht om naar de wolken te kijken. Hij bedacht dat het misschien belangrijk kon zijn om het massatransport te berekenen als functie van de afstand tot de wolkenrand. Deze methode zou een duidelijk onderscheid geven tussen de shell en de verre omgeving. Ook zou deze methode kunnen laten zien waar het massatransport het grootst is. Hij heeft met een aantal collega's alle massatransport op deze manier berekend voor computersimulaties. Maar deze methode was nog niet geprobeerd met behulp van vliegtuigmetingen. Mijn taak was om dit te gaan doen.

In het project is er gebruik gemaakt van een heleboel vliegtuigmetingen uit RICO, rain in cumulus clouds over the ocean. De vliegtuigmetingen waren gedaan in het Caribisch gebied. Als eerste zijn de vliegtuigmetingen opgedeeld naar verschillende vlieghoogtes. Vervolgens zijn van elk meetpunt de afstand berekend tot de dichtstbijzijnde wolkenrand. Deze afstand noemen we r, zie figuur 8. Vervolgens zijn alle snelheden op een specifieke afstand r bij elkaar opgeteld. Zo krijg je het massatransport als functie van de afstand tot de wolkenrand.
Wat zijn de resultaten van dit onderzoek?

Fig10. De gemiddelde massaflux van de dagen op verschillende hoogte.

Het resultaat in figuur 10 laat de gemiddelde massaflux van alle dagen voor verschillende hoogtes zien. Er vallen een paar dingen op. Voor negatieve r waarden, dus punten die in de wolken zitten zien we een positieve massa flux. Dit is volgens verwachting: de massa in de wolk wordt omhoog getransporteerd. Ook is een sterke negatieve piek aan de buitenrand van de wolk te zien. Uit de figuur is te bepalen, dat de negatieve massaflux de positieve massaflux compenseert. De gemiddelde snelheid in de omgeving zou dus nul moeten zijn. En kijken we naar de figuur dan zien we dat dit inderdaad het geval is! Laten we inzoomen op een specifieke hoogte: de wolken tussen 1300 en 1600 meter.

Fig11. De gemiddelde massaflux voor de wolken tussen 1300 en 1600 m.

We zien ook hier de positieve massaflux in de wolk en een negatieve massaflux net buiten de wolk. Ook kan er opgemaakt worden dat de gemiddelde verticale snelheid buiten de shell nul is.

Verklaring en belang

Je zult nu wel denken, leuk dat er zo'n grote negatieve massaflux naast de wolk is maar hoe komt deze er en is dit belangrijk?
De eerste vraag kan beantwoord worden met behulp van een onderzoek van Drs. Thijs Heus. Hij heeft ontdekt dat er een grote negatieve snelheid is door wat we in het engels “evaporated cooling” noemen. De droge lucht uit de omgeving mengt met de vochtige lucht van de wolk. Hierdoor verdampen de waterdruppels. Voor dit verdampen is warmte nodig, de temperatuur daalt dus op die plaats. Koude lucht, ten opzichte van de omgevingstemperatuur, daalt. Dit resulteert dus in een neerwaartse snelheid van de lucht.
De tweede vraag kan beantwoord worden met behulp van een onderzoek van Remco Verzijlbergh. Hij heeft, met behulp van simulaties, onderzocht waar deeltjes blijven als ze los gelaten worden in een wolk.

Fig12. Een fabriek stoot vervuilende deeltjes uit. Die blijven op een bepaalde hoogte zitten, hierdoor ontstaat er op die plaats een vervuiling! Zie ook de plaatjes figuur 13!

In het klassieke model zouden deeltjes omhoog getransporteerd worden door een wolk en vervolgens langzaam naar beneden zakken door de homogene negatieve snelheid van de omgeving. Maar met het nieuwe model zouden deze deeltjes omhoog genomen worden door een wolk en vervolgens blijven zitten waar ze zitten, want er is helemaal geen negatieve snelheid in de omgeving, behalve als er een wolk in de buurt is.
Dit kan in de volgende figuren gezien worden. Stel we hebben een fabriek die giftige deeltjes uitstoot, die maar in een beperkte hoeveelheid in de omgeving mogen voorkomen. In het klassieke model zouden de deeltjes dus verspreid worden en langzaam naar beneden komen, maar in het nieuwe model blijven de deeltjes in de lucht, dicht bij elkaar. Dit resulteert dus in een vervuiling van de lucht op een bepaalde plaats.

We hebben nu een klein stukje natuurkunde gezien rond wolken, maar veel aspecten van wolken blijven, zoals zo mooi gezegd, nog in de wolken verhuld!

Fig13. De computersimulaties van Remco Verzijlbergh laten een soort fabriek zien die deeltjes op een bepaald tijdstip uitstoot (plaatje 1). De deeltjes worden opgenomen door een wolk en omhoog getransporteerd (plaatjes 2 en 3); vervolgens is de wolk weg (opgelost). In het oude beeld over massatransport zouden de deeltjes naar beneden komen, maar we zien dat de deeltjes op dezelfde hoogte blijven zitten, (plaatjes 4 en 5). In het geval van een fabriek die giftige deeltjes uitstoot zou dit betekenen dat je met een vervuiling van de lucht te maken hebt!