Kees Floor; Zenit januari 2005

Stapelwolken organiseren zich boven warm oceaanwater vaak in een patroon van min of meer zeshoekig cellen. Daarbinnen komen weer twee verschillende varianten voor: de gesloten cellen (figuur 1) en de open cellen (figuur 2). In gesloten cellen stijgt de lucht in het midden van de cel en daalt hij aan de randen (figuur 3a); de bewolking vormt zich in de opstijgende lucht. In open cellen is de stroming net andersom (figuur 3b); nu daalt de lucht in het midden en treden de stijgbewegingen op aan de randen.
De zeshoekige cellen treden op in een laag waarin de temperatuurverschillen tussen boven- en onderzijde groot zijn. Dat is het geval boven warm water, maar ook als de temperatuur van de bovenkant van de bewolking door uitstraling naar de ruimte daalt. Vooral als de lucht boven de inversie, die de laag met bewolking aan de bovenkant begrenst, erg droog is, kunnen de wolkentoppen sterk afkoelen.
Patronen die vergelijkbaar zijn met de cellen die in de atmosfeer optreden en die worden veroorzaakt door opwarming van onder af of afkoeling van boven, worden eveneens waargenomen in totaal andere omstandigheden, bijvoorbeeld in de oceanen, in het inwendige van de aarde, in de zon en andere sterren, in de dampkringen en het inwendige van andere planeten en, -wat dichter bij huis, - bij laboratoriumexperimenten met vloeistoflagen. Ze staan in de natuurkunde bekend als Rayleigh-Bénard convectiecellen. De Franse natuurkundige Bénard (1874-1939) beschreef de cellen als eerste in zijn proefschrift dat in 1900 verscheen. In 1916 kwam de Engelsman Lord Rayleigh (1842-1919) met een theoretische verklaring.

Figuur 1. Gesloten zeshoekige cellen boven het zuidelijk gedeelte van de Atlantische Oceaan, 6 juni 2002. Het beeld is afkomstig van het MODIS-instrument op de Amerikaanse satelliet Terra.	Figuur 2. 2. Open zeshoekige cellen boven de Noordzee, 23 september 2002. De gegevens van de NOAA-weersatelliet werden bewerkt op het DLR te Oberpfaffenhofen, Duitsland.

Mechanisme
Het mechanisme waarmee het patroon van zeshoekige cellen zich vormt, kan als volgt worden beschreven. Als lucht over warm oceaanwater strijkt, warmt hij op, zet daardoor uit, wordt lichter en neigt naar opstijgen. De opgewarmde laag kan echter niet in zijn geheel opstijgen; de lucht erboven werkt dat tegen. Als het temperatuurverschil tussen het oceaanwater en de bovenkant van de laag niet te groot is, gebeurt er niets. De 'stroperigheid' van de lucht onderdrukt luchtstromingen en het warmtegeleidingsvermogen van de lucht voorkomt dat de temperatuurtegenstellingen tussen boven- en onderkant van de laag te groot worden. Wanneer echter een bepaalde drempel wordt overschreden, begint de lucht op een aantal plaatsen op te stijgen. De drempelwaarde wordt bepaald door de verhouding van de opwaartse kracht en de reeds genoemde factoren stroperigheid en warmtegeleidingsvermogen van de lucht. Aan de bovenkant van de laag kan de opstijgende lucht niet verder omhoog; hij moet daar naar opzij uitwijken. De lucht stroomt naar alle kanten gelijkmatig weg, zodat de voorste begrenzing ervan een cirkel vormt. Er ontstaan echter op veel meer plaatsen tegelijk van dergelijke opwaartse stromingen, zodat de horizontaal wegstromende lucht van een bepaalde bron de uitstroom van naburige bronnen tegenkomt. Waar deze luchtstromingen botsen, moet lucht naar beneden uitwijken en ontstaan dalende bewegingen. Aan de onderkant van de laag moet de lucht ook weer naar opzij uitwijken en wordt de kring gesloten: de Rayleigh-Bénard convectiecel is een feit.
De lucht beweegt op alle plaatsen even snel omhoog zo lang als zowel de onderkant als de bovenkant van de luchtlaag een eigen, vaste temperatuur hebben. De cellen, die bij het ontstaan rond waren en ongelijk van grootte, vullen het gebied waar ze optreden dan al snel op met regelmatige zeshoeken. Als de temperatuurverschillen tussen onder en boven niet overal gelijk zijn, ontstaan bij de grootste temperatuurtegenstellingen de snelste stromingen en wordt het patroon minder regelmatig.

Kenmerken
Patronen bestaande uit open cellen met vrijwel wolkenloze kernen, komen vooral voor in over relatief warm zeewater uitstromende koudere lucht. De verandering van de windrichting- en sterkte met de hoogte mag niet te groot zijn. De bewolking bestaat gewoonlijk uit cumulus of cumulus congestus (gewone of sterk opbollende stapelwolken), maar soms zitten er ook buienwolken tussen. In één op de vier gevallen valt er neerslag uit de bewolking.
De zeshoekige gesloten cellen met stijgende lucht in het midden en dalende lucht aan de randen, bestaan gewoonlijk uit onder een inversie uitspreidende cumulus- of stratocumulusbewolking. Ze duiden op relatief warme luchtmassa's; afkoeling aan de bovenzijde van de bewolking is voor het in stand houden van een temperatuurverschil tussen boven- en onderkant van de laag waarin het patroon zichtbaar is, belangrijker dan warm zeewater. De neerslagkansen liggen lager dan bij de open cellen; bovendien stelt die neerslag meestal weinig voor.
De kenmerken die hier zijn genoemd geven slechts globale richtlijnen. Er zijn ook voorbeelden van patronen met open- en gesloten cellen vlak bij elkaar, zoals op figuur 4.

Figuur 3. Grootschalige dalende luchtbewegingen veroorzaken een inversie, waaronder zich een patroon vormt met zeshoekige cellen. In het geval van gesloten cellen (a) worden grote, bewolkte gebieden met stijgende bewegingen afgewisseld door smalle, onbewolkte zones waarin de lucht daalt. Bij open cellen (b) is de situatie net omgekeerd; nu ontstaan zeshoekige wolkenringen, waarbinnen de lucht is opgeklaard.

Satelliebeelden
De Rayleigh-Bénard convectiecellen zijn op satellietbeelden geregeld te zien. Het beeld van figuur 1 dateert van 6 juni 2002 en is afkomstig van de moderate resolution imaging spectroradiometer (MODIS) van de Amerikaanse weersatelliet Terra. Het patroon met gesloten cellen bevindt zich boven het zuidelijk gedeelte van de Atlantische Oceaan.
Figuur 2 toont open cellen boven de Noordzee. Het beeld is afkomstig van de Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) op een Amerikaanse NOAA-satelliet. De Noordzee was op 23 september 2003 na een lange, hete zomer nog steeds warm, zodat zich in de koelere noordwestelijke stroming gemakkelijk een honingraatpatroon kon vormen. Bij noordwestenwinden is de Noordzee te beschouwen als een verlengstuk van de Atlantische Oceaan, zodat verschijnselen die zich normaliter alleen boven de oceaan voordoen, ook boven de Noordzee waargenomen kunnen worden. De beeldbewerking vond plaats op het DLR te Oberpfaffenhofen, Duitsland. Het zeewater links op de foto is lichter van kleur door zonneglinstering (zie artikelen in het vorige nummer van Zenit)
De Terra leverde ook het satellietbeeld van figuur 4. Zones met open cellen zijn als het ware verstrengeld met gebieden met gesloten cellen verstrengeld. De cellen bevinden zich boven het op het zuidelijk halfrond boven het oostelijk gedeelte van de Stille Oceaan en deden zich voor op 7 augustus 2002.

Figuur 4. Open én gesloten zeshoekige cellen boven het oostelijk gedeelte van de zuidelijke Stille Oceaan, 7 augustus 2002. Het beeld is net als figuur 1 afkomstig van het MODIS-instrument op de Amerikaanse satelliet Terra.