Kees Floor, Meteorologica december 2010.
Kees Floor, Meteorologica december 2010.
Lucht kun je niet zien en luchtstromingen evenmin. Toch kunnen we uit satellietbeelden geregeld concluderen dat er lucht beweegt en in welke richting deze zich verplaatst. Meestal dient bewolking als 'tracer', maar er zijn ook andere mogelijkheden. Als voorbeeld dienen de lijwervels en andere eilandeffecten achter Madeira, de Canarische en de Kaapverdische Eilanden.
Wervelstraten achter vulkanische eilanden behoren tot de indrukwekkendste patronen
die op satellietbeelden kunnen worden waargenomen (zie afbeeldingen). De eilanden
vormen een obstakel in een vaak strakke luchtstroming. De lucht die komt aanwaaien,
moet over het eiland heen of erlangs. In het laatste geval is het eiland hoger
dan de maritieme grenslaag dik is en prikt het dus als het ware door de inversie
aan de bovenkant van de grenslaag heen. Er ontstaan dan afwisselend aan de linkerzijde
en aan de rechterzijde van het obstakel wervels, die loslaten en vervangen worden
door een nieuwe wervel. Zo vormt zich een patroon dat bestaat uit twee bijna
evenwijdige rijen wervels met tegengestelde draairichtingen.
Een dergelijk stromingspatroon staat ook wel bekend als "wervelweg van
Von Kármàn", naar de Hongaarse fysicus die in 1911 voor het
eerst een wiskundige beschrijving gaf van het verschijnsel. Sinds 1962 kennen
we het begrip ook in de meteorologie. In dat jaar legde de Amerikaanse weersatelliet
Tiros V wervelstraten voor de eerste maal vast. Satellieten zijn onontbeerlijk
om het patroon te kunnen waarnemen. De wervels zijn namelijk te klein om op
weerkaarten op synoptische schaal opgemerkt te kunnen worden en tegelijkertijd
te groot om herkenbaar te zijn voor een waarnemer op het aardoppervlak. Tegenwoordig
zijn de Von Kármànwervels ook terug te vinden in fijnmazige atmosfeermodellen.
 |
 |
 |
| 1. Wervelstraten van Von Kármàn achter Madeira en de Canarische Eilanden, 14 augustus 2010. Op Madeira woeden natuurbranden; de rookpluim is goed zichtbaar, vooral op de uitvergroting van figuur 5. Boven de Atlantische Oceaan voor de Afrikaanse kust zweeft Saharastof. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response. |
|
3. De Kaapverdische Eilanden en wervelstraten van Von Kármàn, 23 december 2002. Het wateroppervlak in de luwte van de eilanden heeft door het ontbreken van zonneglinstering een donkerder tint. Vooral achter de meer naar het zuidwesten gelegen eilanden van de archipel, Brava, Fogo en São Tiago, toont het donkere gebied een slingerend verloop. Stroomafwaarts van Sal, Boa Vista en Maio, de meest oostelijke drie eilanden van Kaapverdië, treden wolkenpluimen op. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA/Visible Earth. |
Bewolking
Als het op de eilanden onbewolkt is en er ook in de wijde omgeving boven zee
geen bewolking voorkomt, zijn eventuele wervels niet zichtbaar op satellietbeelden.
Stilstaande of stromende lucht kun je namelijk niet zien. Het is de zich elegant
naar de heersende luchtstroming voegende bewolking die het in bijna alle overige
gevallen mogelijk maakt de aanwezigheid van wervels vast te stellen. In de subtropen
liggen de zichtbare wervelpatronen doorgaans in uitgestrekte stratocumulusvelden.
Dat is bijvoorbeeld het geval in de Atlantische Oceaan bij Madeira (Portugal),
de Canarische Eilanden (Spanje) (figuren 1 en 2) en Kaapverdië (figuur
3). In de Grote Oceaan treden bij Guadalupe
(Mexico) en de Revillagigedo-eilanden
(Mexico) wervels op onder vergelijkbare omstandigheden. Meer richting de polen
onderbreken de wervels meestal een strak wolkenstratenpatroon in koude, over
de oceaan uitstromende Arctische lucht. Dat zien we geregeld achter Jan
Mayen (Denemarken) in de Atlantische Oceaan, achter de Aleoeten
(Alaska, VS) in de Grote Oceaan en achter Cheju
Do (Korea).
De gesloten cellen in de stratocumulusbewolking en de wolkenstraten vormen zelf
overigens ook voorbeelden van door bewolking zichtbaar gemaakte luchtstromingen
en wijzen op celvormige respectievelijk
lijnvormige convectie in de maritieme grenslaag.
De bewolking op figuren 2 en 3 toont nog een ander effect dat kan optreden door
de wisselwerking tussen luchtstromingen en eilanden. Soms vormt zich, vooral
bij kleinere eilanden, een wolkenpluim achter het eiland. Dat zien we bijvoorbeeld
in figuur 2 achter Porto Santo, ten noordwesten van Madeira, dat deel uitmaakt
van dezelfde eilandengroep. Vergelijkbare wolkenpluimen treden op in figuur
3 achter Sal, Boa Vista en Maio, de meest oostelijk gelegen eilanden van Kaapverdië.
De strepen in de bewolking onderin de figuur ten zuiden van São Tiago
duiden op zwaartekrachtsgolven. Andere voorbeelden zijn te vinden bij de Revillagigedo-eilanden
en bij Pantelleria, in de Middellandse Zee
ten zuiden van Sicilië.
 |
 |
 |
|
Canarische Eilanden.
|
Kaapverdische Eilanden.
|
Wervelstraat van Von Kárman.
|
Zand en stof
Hoewel het in de meeste gevallen de bewolking is die de aanwezigheid van wervels
verraadt, zijn er ook andere mogelijkheden tot visualisatie. De satellietbeelden
van figuur 1 en 2 bevatten al een suggestie in welke richting we kunnen zoeken.
Rechtsonder bevindt zich voor de kust van Afrika Saharazand, dat een beige waas
over de Atlantische Oceaan legt. Als aflandige winden dit zand tot voorbij de
Canarische of Kaapverdische Eilanden transporteren, moeten er onder geschikte
omstandigheden wervels zichtbaar zijn in het zand. Belangrijk is weer de aanwezigheid
van een inversie waaronder voldoende zand en stof moet zitten om stromingspatronen
zichtbaar te kunnen maken.
Figuur 4 geeft een situatie waarin er inderdaad in een zuidoostelijke stroming
wervels achter Canarische Eilanden konden worden waargenomen, vooral achter
El Hierro in het zuidwesten en achter het noordoosten van Tenerife. De eilanden
bevonden zich in een omvangrijk gebied met Saharazand. Langs de kusten van Marokko
en de Westelijke Sahara zien we nog meer 'vers' zand de oceaan op waaien; ook
daar fungeert het zand dus als 'tracer' voor de stromingsrichting. Verder zijn
bij Tenerife lijgolven zichtbaar in het zand; zo'n wasbordpatroon achter bergen,
dat duidt op golvend op en neergaande luchtbewegingen, wordt in 'normale' gevallen
zichtbaar gemaakt door (altocumulus)bewolking. De lijgolven staan loodrecht
op de windstroming en geven dus weer een indicatie van de windrichting.
Een duidelijke wervelstraat van Von Kárman, zichtbaar gemaakt door zand
en stof in een luchtstroming, is te zien in figuur 5 achter Santo Antão
in het uiterste noordwesten van Kaapverdië. Stof dat eerder terecht kwam
op Sal en Boa Vista in het noordoosten van het land, wordt door de oostelijke
luchtstroming opnieuw opgepikt en geeft weer een duidelijke indicatie van de
windrichting. Achter Fogo in het zuidwesten zien we een 'opklaringsgebied';
in dit geval zit er echter niet minder bewolking, maar minder zand. Wisselwerking
tussen de oostelijke stroming en de eilanden leidt in een aantal gevallen tot
de vorming van boeggolven en van Kelvin-scheepsgolven.
4. Eilandeffecten in Saharastof boven de Canarische Eilanden,
11 februari 2001. Instrument: SeaWiFS. Satelliet: OrbView-2. Bron: NASA/GSFC
SeaWiFS Project en ORBIMAGE.
Zonneglinstering
Een derde manier om uit satellietbeelden conclusies te trekken over de aanwezigheid
van wervels achter eilanden, maakt gebruik van zonneglinstering.
Weerspiegelingen van zonlicht op zeewater leiden op die beelden door de aanwezigheid
van golven veelal tot een brede, zilverwitte band. De lichtsterkte van delen
van die band, hangt af van de ter plaatse optredende golfhellingen. Als de golven
op de ene postie anders zijn dan op de andere, bijvoorbeeld door verschillen
in windsnelheid, treden er tintverschillen op in de strook met zonneglinstering.
Dat is vaak goed te zien bij eilanden in de oceaan. Aan de lijzijde van zo'n
eiland is de zee namelijk meestal rustiger dan elders; de tint van het zeeoppervlak
is er daardoor soms lichter (figuur 2), soms donkerder (figuur 3), maar in ieder
geval afwijkend van wat we elders zien. Onder normale omstandigheden, dat wil
zeggen bij een gelijkmatige wind uit een vaste richting, hangt het gebied met
rustiger water als een rechthoekige of driehoekige vaan achter de eilanden (niet
afgebeeld). Treden er wervels op, dan krijgt de oplichtende zone een slingerend
verloop; de wervels zitten dus niet alleen in de bewolking vlak onder de grenslaag,
maar strekken zich naar beneden uit tot zeeniveau. Het verschijnsel is te zien
in lichte tinten op figuur 2 achter Madeira (bovenin) en de drie Canarische
Eilanden ten westen van Tenerife: La Palma, het eerder genoemde El Hierro en
La Gomera. In donkere tinten treedt het verschijnsel eveneens op in de situatie
van figuur 3, vooral achter Brava, Fogo en São Tiago, in het zuidwesten
van Kaapverdië.
 |
 |
| 5. Saharastof boven de Atlantische Oceaan en Kaapverdië, 1 januari 2007. Er is een duidelijke wisselwerking tussen de eilanden en de stofdeken boven de Atlantische Oceaan, waarin die eilanden zich bevinden. Achter Santo Antão, het grote eiland in het noordwesten, zijn Von Kármànwervels zichtbaar. Verder treden er bij verscheidene eilanden boeggolven en Kelvin scheepsgolven op. Instrument: MODIS. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response. |
|
Rookpluim
Luchtstromingen kunnen ook zichtbaar gemaakt worden met rook. Als gedachte-experiment
zouden we op Madeira of een ander eiland rookgeneratoren kunnen plaatsen om
vervolgens te kijken wat er gebeurt. In situaties waarin zich Von Kármàn-wervelstraten
kunnen vormen, verwachten we dan geen strakke pluim, maar eerder een tussen
de wervels door slingerende rookpluim.
Totaal onverwacht bleek het experiment deze zomer al in uitvoering. In augustus
2010 ontstonden er op Madeira namelijk branden in de bossen met zeer brandbare
exotische eucalyptusbomen, dennen en acacia's. Door de harde wind sloeg het
vuur ook over naar de bossen met minder brandgevoelige inheemse boomsoorten
die net de afgelopen tien jaar nieuw waren aangeplant. Een en ander ging vergezeld
van veel rook, wat ook op satellietbeelden te zien was. In figuur 6 ligt Madeira
rechtsboven; de figuur is een vergroting van een uitsnede van figuur 1. De slingerende
rookpluim is duidelijk anders dan de strakke pluimen die we zagen op de satellietbeelden
van bosbranden in Rusland, Brazilië en Canada, die in dezelfde periode
woedden.
Conclusies
Om luchtstromingen zichtbaar te doen zijn op satellietbeelden, zijn 'tracers'
nodig. Meestal vervult bewolking de rol van tracer, maar in incidentele gevallen
kunnen ook woestijnzand of rook die rol op zich nemen. Daarnaast geeft de manier
waarop het oceaanoppervlak zonlicht weerspiegelt, soms een indicatie van heersende
stromingspatronen. Lijwervels achter vulkanische eilanden in de oceaan zijn
op alle vier de manieren soms te zien.