Kees Floor, Het Weer Magazine, juni 2010.
Kees Floor, Het Weer Magazine, juni 2010.
Boven de oceaan zie je op satellietbeelden achter eilanden soms schitterende wervelpatronen. Meteorologe Annick Terpstra ging op verkenning en rekende het verschijnsel na op de computer.
 |
 |
 |
|
Wolkenstraten of koordwolken en wervelstraten van Von Kármàn bij de Aleoeten, Alaska. Datum: 14 maart 2010. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA/GSFC, MODIS Rapid Response. |
|
In de bewolking achter vulkanische eilanden in de oceaan zijn op satellietbeelden vaak schitterende wervelpatronen te zien. De wervels ontstaan om en om aan de linker- en de rechterzijde van zo'n eiland en worden door de wind stroomafwaarts meegevoerd, zodat langgerekte wervelstraten ontstaan. 'Het repeterend patroon van tegengesteld draaiende wervels toont gelijkenissen met zogenoemde Von Kármàn-wervels', zegt meteorologe Annick Terpstra, die de luchtstromingen achter het bij Portugal behorende eiland Madeira met een computermodel onderzocht.
Von Kármàn-wervels
Théodore von Kármàn blijkt een natuurkundige van Hongaarse
afkomst, die al in 1911 voor het eerst een wiskundige beschrijving gaf van het
verschijnsel. Hij beschikte uiteraard niet over satellietbeelden; de eerste
weersatellieten werden namelijk pas 50 jaar geleden gelanceerd. Ook zal hij
niet geweten hebben dat het lawaai van een imperiaal op een rijdende auto erdoor
wordt veroorzaakt en dat dergelijke wervels achter grote vrachtwagens het kleine
auto's vaak erg lastig maken om in te halen. De wervels komen we echter op talrijke
andere, destijds al bekende plaatsen tegen; ze vormen ondermeer de verklaring
van zwieptonen van de wind die tegen takken of touwen blaast. Verder maken ze
het zo moeilijk om een roeispaan strak door het water te trekken.
Vóór Von Kármàn hadden anderen zich overigens al
met de uiteindelijk naar hem genoemde wervels bezig gehouden. Reeds in de tiende
eeuw bouwde aartsbisschop Dunstam van Canterbury - die zich volgens de overlevering
meer bezig hield met muziek en natuurwetenschap dan met preken of misdienaars
- een windharp of Eolusharp. De snaren van deze harp werden door de wind bespeeld
onder de vorming van Von Kármàn-wervels. Dit was destijds zo ongekend
dat de aartsbisschop werd verdacht van tovenarij; hij moest asiel zoeken in
België. In de tijd van de romantiek raakte het instrument weer in zwang
en ook in ons land stonden in de negentiende eeuw bij een aantal buitenverblijven
windharpen opgesteld.
Een andere, beter bekende voorganger van Von Kármàn was Leonardo
da Vinci, die het verschijnsel noemt in zijn verhandeling 'Del moto e misura
dell aqua'.
 |
 |
|
|
Windorgel te Vlissingen.
|
Théodore von Kármàn, Hongaars natuurkundige, 1881-1963. |
Satellieten
In de huidige tijd staan de wervels nog onverminderd in de belangstelling. Ze
spelen een rol bij trillingen die onverwacht bleken op te treden bij hoogspanningskabels,
fabrieksschoorstenen, scheepsschroeven, periscopen van onderzeeboten en raketten
die klaar stonden voor lancering. Ook het instorten van de Tacoma Narrows brug
in de Verenigde Staten in het najaar van 1940, bekend door de filmopnamen
die ervan werden gemaakt, wordt aan Von Kármàn-wervels toegeschreven.
Meer recent bleken de spankabels van de Rotterdamse Erasmusbrug onder bepaalde
omstandigheden te gaan zwiepen door Von Kármàn-wervels. En sinds
1962, toen de Amerikaanse weersatelliet Tiros V voor het eerst wervelstraten
achter een eiland in de oceaan vastlegde, kan het verschijnsel zich ook in de
warme belangstelling verheugen van meteorologen, zoals Annick Terpstra. De Wageningse
masterstudente maakte de overstap naar het weer na een bachelorstudie kunstmatige
intelligentie in Groningen. 'Ik zag me niet m'n hele leven achter de computer
zitten om robots te maken', zo licht ze haar carrièreswitch toe. En zo
kon het gebeuren dat ze op de prachtige wervelstraten in de dampkring stuitte,
om die vervolgens als onderdeel van haar nieuwe, wervelende studie aan een nader
onderzoek te gaan onderwerpen. Dat een deel van het werk weer achter de computer
zou plaatsvinden, nam ze graag op de koop toe.
Madeira
Voor het onderzoek richtte ze zich op een situatie met lijwervels achter het
Portugese Madeira. Het eiland meet 57 bij 22 kilometer en ligt in de Atlantische
Oceaan, ongeveer 700 kilometer ten westen van Afrika en 1000 kilometer ten zuidwesten
van het moederland. In die omgeving staan vaak de noordoostenwinden van de noordoostpassaat,
mede instand gehouden door een omvangrijk hogedrukgebied in de buurt van de
eveneens Portugese eilandengroep de Azoren. Madeira, met als hoogste punt de
1862 meter hoge Pico Ruivo de Santana, ligt als een obstakel in die noordoostelijke
luchtstroming. 'De aanstromende lucht moet eroverheen of erlangs', legt Terpstra
uit; 'meer mogelijkheden zijn er niet'. Dat klinkt eenvoudig, maar wanner gebeurt
het een en wanner het ander? 'Belangrijk is de aanwezigheid van een stabiele
laag met daarin een horizontale luchtstroming', aldus de Wageningse studente.
'Het eiland moet een stuk boven die laag uit steken; onder die omstandigheden
móet de lucht onderin er wel omheen. Dan komt er achter het eiland aan
beide kanten een wervel.'
In het geval van Madeirea hebben die wervels een diameter van ruim 50 kilometer,
blijkt uit Terpstra's berekeningen. Je kunt dat trouwens ook opmeten op satellietbeelden.
De afstand tussen de centra van twee opeenvolgende wervels uit dezelfde rij
bedraagt zo'n 100 tot 150 kilometer. 'Patronen in de atmosfeer van deze orde
van grootte bleven lang verborgen'', zo weet Terpstra. Ze zijn te groot om gezien
te kunnen worden door een waarnemer op de grond. Tegelijkertijd zijn ze veel
te klein om op een gewone weerkaart te kunnen zien, zeker als het om gebieden
gaat op de oceaan met relatief weinig waarnemingen.'Daarom hebben we echt op
de komst van de weersatellieten moeten wachten om dit soort verschijnselen te
kunnen zien'.
Hoe vergaat het de wervels, als ze eenmaal gevormd zijn, verder? Bij zwakke
luchtstromingen blijven de wervels 'plakken'; waait het wat harder dan laten
de ze om en om los en ontstaat het schitterende wervelstratenpatroon. Geschikte
windsnelheden daarvoor zijn 5 tot 15 meter per seconde, windkracht 3-7. Staat
er nog weer meer wind, dan kunnen de wervels zich niet handhaven.
De wervels bewegen met de luchtstroming mee. 'Dat gaat langzamer dan de windsnelheid
zou doen vermoeden', zegt Terpstra. 'Kennelijk gaat er veel energie verloren
bij het vormen van de wervels.'
Na verloop van tijd verdwijnen de wervels weer als ze in een gebied terecht
komen waar de luchtstroming of de temperatuuropbouw van de atmosfeer te sterk
afwijkt van de toestand in de omgeving van Madeira of een ander eiland waarachter
ze gevormd werden. Verder kunnen de wervels ook verdwijnen door verweven te
raken met een andere wervel. Doordat naburige wervels (in verschillende rijen)
tegengestelde draairichting hebben, doven ze elkaar als het ware uit.
 |
 |
|
|
Wervels wereldwijd
Om de wervelstraten van Von Kármàn te zien hoeven we onze blik
overigens niet uitsluitend op Madeira gericht te houden. Ze treden op achter
talrijke eilanden of nabij de kust gelegen bergen (voorbeelden).
De stratocumulusvelden ten westen van Afrika strekken zich vaak ook uit tot
over de Canarische Eilanden en zelfs de Kaapverdische Eilanden. Ook bij die
eilanden zijn stroomafwaarts de wervelpatronen geregeld waar te nemen. De omstandigheden
zijn op de Grote Oceaan in de subtropen vergelijkbaar met die op de Atlantische
Oceaan. In de stratocumulusvelden achter Isla Guadalupe ten westen van de kust
van Baja California, en achter de eveneens Mexicaanse Revillagigedo-eilanden
komen de wervelstraten dan ook vaak voor. Meer naar het noorden zien we ze op
de Grote Oceaan achter de Aleoeten bij Alaska en bij Korea. Op de noordelijke
Atlantische Oceaan is het vooral Jan Mayen, tussen Groenland en Noorwegen, waar
het verschijnsel zich voordoet. De wervels van de noordelijke locaties liggen
vaak ingebed in een patroon van langgerekte wolkenstraten of koordwolken. In
een enkel geval treden wervelstraten eveneens op achter vulkanen op IJsland,
bij de Azoren en boven de Middellandse of de Egeïsche Zee.
Ook het zuidelijk halfrond bevat geschikte locaties voor het optreden van wervelstraten,
zoals de Juan Fernandezeilanden ten westen van Chili en de Crozeteilanden en
Heard Island in de zuidelijke Indische Oceaan.
'Op zich is het opmerkelijk dat de prachtige wervelpatronen in de luchtstroming
achter al deze eilanden zo duidelijk zichtbaar zijn, aldus Terpstra. 'Lucht
is doorzichtig en de bewegingen daarin kun je dus niet zien. Toch zijn er die
prachtige beelden. Dat is alleen maar mogelijk dankzij de bewolking. Deze volgt
de bewegingen van de lucht waarin ze zich bevindt op de voet en maakt zo de
luchtstromingen voor ons zichtbaar.'