Kees Floor, Zenit juni 2014
Kees Floor, Zenit juni 2014
Als zich in de atmosfeer op enige hoogte een warme laag bevindt, spreekt men van een inversie. De gevolgen van de aanwezigheid van zo'n inversie zijn velerlei; de effecten zijn waarneembaar vanaf het aardoppervlak, vanuit vliegtuigen, vanuit het ruimtestation ISS en vanuit de routinematig overkomende weer- en aardobservatiesatellieten.
Het Grand Canyon National Park in Arizona, VS, is beroemd om zijn adembenemende
vergezichten. Jaarlijks komen er 5 miljoen toeristen op af. Ze genieten er van
de Colorado-rivier, die ver beneden in de diepte kronkelt, en van de steile
wanden van de rotspartijen aan weerszijden van de canyon. Eind november 2013
was er een paar dagen echter weinig te zien; het erosiedal was vrijwel geheel
gevuld met mist en laaghangende bewolking. Sommige bezoekers waren daarover
diep teleurgesteld; ze kenden de foto's van de Grand Canyon uit de folders en
hadden soms grote afstanden afgelegd om dat schitterende landschap in werkelijkheid
te zien. Voor enkele toeristen, die net als vele anderen slechts één
dag voor een bezoek hadden uitgetrokken, viel ook een geplande helikoptervlucht
in het water: afgelast, maar gelukkig wel geld terug.
Tegelijkertijd waren anderen echter laaiend enthousiast over deze mistsituatie,
waaronder de zich als Japanse toeristen met fototoestel gedragende Rangers van
het National Park zelf. Het betrof namelijk een unieke gebeurtenis: slechts
eens in de tien jaar zit de canyon zo vol met mist. Bij het ontstaan van het
verschijnsel speelt een inversie een belangrijke rol.
Inversies
De temperatuur van de lucht neemt in de regel in de onderste 10-15 kilometer
van de dampkring af met de hoogte. Daardoor is het bijvoorbeeld op bergtoppen
of op vlieghoogte kouder dan op zeeniveau. Op sommige dagen gaat de 'regel'
echter niet op. Dan bevindt zich op enkele tientallen, honderden of duizenden
meters boven het aardoppervlak een warme laag; aan de onderzijde daarvan neemt
de temperatuur toe met de hoogte. Men spreekt dan van een inversie, omdat het
een omkering van de 'normale' situatie betreft. Inversies komen echter vaak
en op allerlei hoogtes voor; doordat ze niet gekoppeld zijn aan een vaste hoogte,
kun je ze niet terugvinden in het gemiddeld verloop van de temperatuur met de
hoogte in de dampkring.
Inversies treden bijvoorbeeld op bij de nadering van een warmtefront. Dat komt
doordat de warmere lucht boven een gegeven locatie het eerst doordringt op grotere
hoogte en pas later arriveert op grondniveau. Meteorologen noemen dat een warmtefrontinversie.
Ook in hogedrukgebieden doen zich gewoonlijk inversies voor, samenhangend met
de dalende luchtbewegingen die daarin plaatsvinden. De dalende lucht warmt namelijk
op, zodat zich een inversie vormt. In de winter bevindt zich onder de inversie
veelal mist of laaghangende bewolking die grote gebieden, bijvoorbeeld Duitsland,
de Benelux en Noord-Frankrijk, kan bedekken. Op satellietbeelden is dan te zien
dat hoger gelegen regio's, zoals de Ardennen en Sauerland, boven de inversie
uitsteken, zodat het aardoppervlak daar vanuit de ruimte gewoon zichtbaar is.
De temperatuur kan boven de inversie wel bijna 15 graden hoger liggen dan eronder
in de mist [1]. Dit type inversie wordt aangeduid als subsidentie-inversie.
Inversies kunnen ook ontstaan als het aardoppervlak afkoelt en de lucht direct
daarboven eveneens doet afkoelen, terwijl de temperatuur van de lucht op wat
grotere hoogte niet wordt beïnvloed en zijn relatief hogere temperatuur
behoudt. Zo vormt zich een grondinversie, waaronder zich vaak stralingsmist
bevindt (figuur 3).
Postduivenhouders zijn als de dood voor inversies. Vooral jonge duiven kunnen
zich onder dergelijke weersomstandigheden niet oriënteren. Ze vertrekken
dan vaak pas na geruime tijd van de losplaats, meestal in de verkeerde richting,
en keren niet meer terug. Op die manier gaan soms veel waardevolle of veelbelovende
wedstrijdduiven verloren.
Inversies vervullen vaak de rol van deksel op de onderste laag van de atmosfeer.
Ze gaan uitwisseling van lucht onder de inversie met die daarboven tegen. Daardoor
hoopt zich onder een inversie vaak vocht en vuil (figuur 4) op; inversies bevinden
zich dan aan de bovenzijde van een mistlaag, van laaghangende bewolking en/of
van verontreinigde lucht [2].
 |
 |
 |
|
|
5. Verontreinigde lucht onder een inversie ligt als een grijze deken over de Po-vlakte in Noord-Italië. Het geïndustrialiseerde gebied waar veel verontreinigingen worden uitgestoten, is aan drie kanten ingesloten door de Alpen en de Apennijnen; de verontreinigde lucht kan alleen 'ontsnappen' langs de kust van de Adriatische Zee. Datum: 4 maart 2013. Instrument: MODIS. Satelliet: Aqua. Bron: NASA's Worldview. |
Grand Canyon in de mist
Inversies komen in Arizona wel vaker voor dan eens in de tien jaar, maar lang
niet altijd slibt de Grand Canyon dicht met bewolking of mist. Eind november
2013 waren de omstandigheden echter zodanig dat mist en laaghangende bewolking
zich op uitgebreide schaal konden vormen en uitbreiden. Het had de voorgaande
dagen namelijk flink geregend en gesneeuwd, zodat de grond door en door nat
was en er dus voldoende vocht voorhanden was; verdamping speelt in deze tijd
van het jaar nauwelijks een rol. Vervolgens kwam het weer onder invloed van
een hogedrukgebied. De dalende luchtbewegingen in zo'n weersysteem doen bewolking
op de meeste niveaus van de atmosfeer verdwijnen en veroorzaken, zoals we eerder
zagen, doorgaans een markante inversie. Bij heldere hemel en weinig wind, zeer
gebruikelijke weerkenmerken bij hogedruksituaties, zakt het kwik aan de grond
gedurende de avond en de in die tijd van het jaar lange nachten snel. Daarbij
koelt ook de lucht af en raakt deze verzadigd voor waterdamp, zodat zich mist
vormt. Deze kan zich onder zo gunstige omstandigheden gemakkelijk uitbreiden
en uiteindelijk de hele laag tussen het aardoppervlak en de inversie vullen.
In de ochtend, na een lange periode van nachtelijke afkoeling, is de mist het
meest uitgebreid; dat was ook wat op 29 november 2013 in de Grand Canyon werd
waargenomen. In de loop van de dag lost de mist aan de randen wat op en gaat
een deel van de egale laag met stratusbewolking (figuur 2) over in de meer tekening
vertonende stratocumulusbewolking (figuur 1), maar 's avonds breidt de mist
zich weer uit en is de lucht opnieuw egaal grijs. Deze dagelijkse gang van de
omvang en de structuur van de mist en de laaghangende bewolking was ook op satellietbeelden
van het gebied (niet afgebeeld) goed waar te nemen.
Meer effecten
Inversies komen vrijwel overal op aarde geregeld voor. De mate waarin ze worden
opgemerkt, het weer beïnvloeden of verantwoordelijk zijn voor speciale
verschijnselen, varieert echter sterk. Berucht zijn de situaties met luchtverontreiniging
in grote steden met veel vervuilende industrie of gemotoriseerd verkeer, zoals
San Francisco, het vroegere Londen en tegenwoordig vooral talrijke steden in
China; daar doet woestijnstof soms nog een extra duit in het zakje. Doordat
de inversie als een deksel de onderste laag van de atmosfeer afsluit, kan de
vuile lucht niet weg en treedt ook geen verdunning van de concentraties verontreiniging
op. Het effect kan nog worden versterkt als de ontsnappingsroutes voor vocht
en vuil niet alleen aan de bovenzijde zijn afgesneden, maar de lucht ook in
horizontale richting geen kant op kan. Dat is het geval als de lucht gedwongen
wordt te stagneren in dalen en valleien. In het geval van de Grand Canyon belemmerden
de steile rotswanden de lucht en het vocht weg te stromen. Een bekender geval
van 'opgesloten' lucht dichter bij huis doet zich voor in de sterk geïndustrialiseerde
Povlakte in Noord-Italië. De vallei is aan drie kanten omsloten door bergen
en als er dan bovendien een inversie optreedt, is het altijd raak. Nu eens is
de lucht over vrijwel het gehele gebied sterk verontreinigd (figuur 5), dan
weer is de Povlakte volledig gehuld in mist, zoals geregeld op satellietbeelden
is te zien.
 |
 |
 |
|
7. Uitgestrekte stratocumulusvelden onder een inversie boven de Grote Oceaan ten westen van het Mexicaanse schiereiland Baja California, 4 augustus 2013. De foto werd door astronauten genomen vanuit het internationale ruimtestation ISS met een digitale camera. Achter het 240 kilometer uit de kust gelegen, 35 kilometer lange en 1300 meter hoge eiland Guadalupe treden zogeheten wervelstraten van Von Kármàn op. Rechtsboven zijn evenwijdige wolkenlijnen zichtbaar, veroorzaakt door zwaartekrachtsgolven, die vaker optreden bij aanwezigheid van inversies. Bron: NASA/ ISS036-E-035665. |
|
Stratocumulusvelden
Inversies komen niet alleen voor boven land. Ook boven de oceanen treden ze
op, vooral in de gebieden waar de passaten waaien, zoals boven de Grote Oceaan
voor de kust van Mexico of boven de Atlantische Oceaan voor de kust van Afrika.
De vochtige laag onder de inversie noemt men dan de maritieme grenslaag. Aan
de bovenzijde daarvan bevinden zich vaak uitgestrekte wolkenvelden met in een
regelmatig patroon optredende zogeheten stratocumulusbewolking (figuren 6 en
7). Het patroon wordt soms 'verstoord' door wolkensporen van schepen, die kriskras
door de wolkenvelden heen liggen (figuur 6) [3]. De schepen die de wolkenpluimen
veroorzaken bevinden zich in de buurt van de dunne punt van de pluim. De sporen
worden na verloop van tijd breder en waaieren soms wat uit in onregelmatige
vormen.
In de gebieden waar zich veel stratocumulusvelden voordoen, liggen vaak ook
vulkanische eilanden, waarvan sommige hoog genoeg zijn om door zo'n inversie
heen te prikken. Voorbeelden daarvan zijn de Canarische Eilanden voor de kust
van Marokko en de Westelijke Sahara, de Kaapverdische Eilanden voor de kust
van Mauretanië en Senegal en Guadalupe en de Revillagigedo eilandengroep
voor de kust van Mexico. Achter dergelijke eilanden is geregeld een schitterend
patroon van lijwervels zichtbaar, de zogeheten wervelstraten van Von Kármàn
(figuur 7) [4], die dus mede mogelijk zijn gemaakt door de aanwezigheid van
een inversie.
Optische verschijnselen
Inversies komen we ook weer tegen in de meteorologische optica. Sommige lichtverschijnselen
die in de atmosfeer kunnen worden waargenomen, zijn namelijk gekoppeld aan het
optreden van inversies. Dat geldt bijvoorbeeld voor de relatief zeldzaam optredende
arctische luchtspiegelingen [5]. Ze doen zich meestal voor boven koud oceaanwater
of boven de uitgestrekte sneeuw- en ijsvelden van de poolgebieden, waarbij op
enige hoogte een inversie aanwezig is. Onder dergelijke omstandigheden plant
het licht zich niet rechtlijnig voort, zoals we gewend zijn, maar volgt het
de kromming van het bolvormige aardoppervlak. We kunnen daardoor in het eenvoudigste
geval van arctische luchtspiegeling als het ware al een beetje achter de horizon
kijken. Bij sterkere inversies kunnen meervoudige beelden ontstaan van voorwerpen
in de verte of van objecten aan de hemel, de luchtspiegelingen naar boven. De
lichtstralen weerspiegelen dan tegen de grensvlakken of overgangszones tussen
warmere en koudere horizontale luchtlagen. Boven open water zien we in zo'n
geval boven schepen of andere objecten in de verte een spiegelbeeld dat op zijn
kop boven het origineel hangt (figuur 8). Het verschijnsel wordt ook vanaf de
Nederlandse kust af en toe waargenomen. Soms zijn er geen objecten aanwezig
en wordt het aardoppervlak zelf vervormd met rechtopstaande onregelmatigheden.
Het Nova-Zemblaverschijnsel [6] is de meest extreme vorm van arctische luchtspiegeling.
Het effect werd in 1596 voor het eerst waargenomen tijdens de overwintering
van Willem Barentsz op Nova Zembla. De zon liet zich toen na de lange poolnacht
veertien dagen eerder zien dan volgens astronomische berekeningen waarschijnlijk
was. De verklaring daarvan verloopt als volgt. Bij een zeer specifieke temperatuuropbouw
van de atmosfeer fungeert een uitgestrekte horizontale luchtlaag onder een sterke
inversie als 'lichtpijp', die het ingevangen zonlicht al weerkaatsend tegen
beurtelings de boven- en onderzijde ongebruikelijk grote afstanden kan laten
afleggen. Op die manier wordt bijvoorbeeld de zon veel eerder zichtbaar dan
je zou verwachten. Daarbij treden verrassende vormen op van de zonneschijf of
delen daarvan.
Inversies drukken ook in minder extreme omstandigheden hun stempel op de vorm
van de zonneschijf bij laagstaande zon [7] [8]. Het beeld van de zonneschijf
is dan opgebouwd uit verscheidene horizontale banden in verschillende tinten.
Ook kan de zonneschijf een druppelvorm aannemen of uitstulpingen of afsnoeringen
vertonen die door een inversie worden veroorzaakt (figuur 9). Een zonsondergang
is bij aanwezigheid van een of meer inversies dan ook veel spectaculairder dan
de eenvormige variant die we standaard zouden krijgen als de temperatuuropbouw
van de atmosfeer zich altijd zou voegen naar het gemiddelde.
9. Zonsopkomst bij aanwezigheid van een of
meer inversies, Aken, Duitsland, 21 maart 2004. Foto: Andre Mueller.
Literatuur:
1. K. Floor: Somber, maar niet saai,
Zenit, april 2006.
2. K. Floor: Inversie bepaalt hoogte rook oliebrand,
Zenit februari 2006.
3. K. Floor: Openluchtlaboratorium voor wolkenfysici,
Zenit, juni 2003.
4. K. Floor: Bewolkingspatronen achter
bergachtige eilanden, Zenit februari 1983. (ook in: K. Floor: Het
weer op satellietbeelden, Rijswijk 2006).
5. C. Floor, Spiegelen in koude lucht; Natuur en Techniek december 1991.
6. S. Y. van de Werf, G. P. Können, W. H. Lehn, en F. Steenhuizen: Waerachtighe
beschryvinghe van het Nova-Zembla-effect, Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde
66, 120-126, april 2000.
7. C. Floor, De laagstaande zon; Nautisch Technisch Tijdschrift De Zee,
april 1981. 
8. C. Floor, Zonsondergang bij gelaagde opbouw van de atmosfeer; Zenit
november 1978.