Kees Floor, Zenit december 2010.
Kees Floor, Zenit december 2010.
De rook van de natuurbranden van deze zomer in Rusland kwam meer dan 12 kilometer hoog en zweefde na verloop van tijd onder andere over het oosten van de Verenigde Staten. Tot 10 jaar terug dacht men dat alleen deeltjes uit vulkanen zo hoog konden komen en zo ver konden reizen. Inmiddels weten we dat ook rook in de stratosfeer terecht kan komen als een omvangrijke, intensiverende brand een grote, onweersbui-achtige wolk met bijbehorende luchtcirculatie doet ontstaan.
Tijdens de natuurbranden in Rusland van de afgelopen zomer was onder andere in de hoofdstad Moskou de lucht verstikkend en het zicht zeer slecht. De rook die daarvoor verantwoordelijk was, hield zich kennelijk op waar je hem zou verwachten, namelijk in de onderste lagen van de atmosfeer. Satellietwaarnemingen laten zien dat er hoger in de dampkring eveneens rook rond zweefde. Er bevond zich volgens die satellietgegevens niet alleen rook in de troposfeer, de onderste 12 kilometer van de dampkring. Ook onder in de luchtlaag daarboven, de stratosfeer, zat rook. Doorgaans beschouwt men de tropopause, de overgangslaag tussen de troposfeer en de stratosfeer, als een vrijwel onneembare barrière die geen uitwisseling toelaat tussen lucht in de beide lagen. Hoe kwam die rook in de stratosfeer terecht?
Mysterieuze deeltjeswolken
Het was niet de eerste keer dat satellieten in de stratosfeer hoge concentraties
aantroffen van aerosolen, zoals de verzamelnaam voor allerlei deeltjes in de
atmosfeer luidt. Sinds ongeveer 1980, toen voor deze toepassingen het satelliettijdperk
pas echt begon, werden verscheidene malen deeltjeswolken in de stratosfeer gesignaleerd.
Tot zo'n tien jaar geleden schreven onderzoekers dit verschijnsel toe aan vulkaanuitbarstingen.
Vulkanische as kan bij explosieve erupties in veel gevallen namelijk makkelijk
in de stratosfeer terecht komen (zie Zenit
oktober 2009). Vooral in de jaren 1989-1991 bleek het echter lastig de waargenomen
aerosolen te koppelen aan vulkaanuitbarstingen. Desondanks was het geloof van
de onderzoekers in vulkanen als enig mogelijke oorzaak van dergelijke deeltjeswolken
in de stratosfeer nog zo sterk, dat ze hun waarnemingen van 1989 en 1990 toeschreven
aan niet-bevestigde, respectievelijk niet-gerapporteerde gevallen van vulkanische
activiteit.
Voor 1991 was het vinden van een bron van vulkanische stof en as veel eenvoudiger.
In juni van dat jaar vond er namelijk op de Filipijnen de gigantische uitbarsting
plaats van de vulkaan Pinatubo. Toch bleven er problemen: er werden ook deeltjeswolken
aangetroffen boven plaatsen op aarde waar je dat gezien de opgetreden luchtstromingen
niet zou verwachten. Verder waren de aerosolen in die wolken kleiner dan wat
gebruikelijk was voor deeltjes van vulkanische oorsprong. Omdat de vraag of
die aerosolen inderdaad van de Pinatubo afkomstig waren nog niet ter discussie
stond, sprak men in de vakliteratuur over 'een nieuwe variant van Pinatubo-aerosolen'.
 |
 |
|
|
Natuurbranden
Het raadsel van de vreemde deeltjeswolken kon pas worden opgelost nadat onderzoekers
zich ook open stelden voor andere mogelijke bronnen van aerosolen in de stratosfeer.
Naast vulkanische as wordt tegenwoordig ook rook van natuurbranden gezien als
verontreiniging die in de stratosfeer kan voorkomen. Maar om dit geloofwaardig
te kunnen maken, moet er eerst een mechanisme bekend zijn dat krachtig genoeg
is om rook van nabij het aardoppervlak minstens 12 kilometer omhoog te tillen
en vervolgens de stratosfeer in te blazen blazen. Zo'n mechanisme is inmiddels
bekend en heet: pyrocumulonimbus.
Branden zijn op aarde een veel voorkomend verschijnsel. Deels hangen ze samen
met menselijke activiteit, bijvoorbeeld in de landbouw of bij ontbossing, deels
is het een natuurlijk gebeuren, in gang gezet door de bliksem. Bij zo'n brand
is het aardoppervlak en de lucht daarboven heet, wat de opbouw van de atmosfeer
onstabiel maakt of de onstabiliteit vergroot. Onder dergelijke omstandigheden,
dus een warm aardoppervlak en onstabiliteit, vormen zich, ook zonder branden,
vaak stapelwolken (cumulus). Wordt de wolkenvorming op gang gebracht of versterkt
door de brand, dan spreekt men van pyrocumulus, letterlijk vuurwolk. Het voorvoegsel
pyro kennen we onder andere van het woord pyromaan, notoire brandstichter. Aan
de onderzijde van pyrocumulus zijn de bruine tinten van de rook vaak goed te
zien (figuur 2).
'Gewone cumuluswolken' kunnen onder daarvoor gunstige omstandigheden het buienstadium
bereiken en verder uitgroeien tot een zogeheten cumulonimbus, afgekort Cb. Een
actieve Cb gaat vergezeld van onweer en winstoten, soms ook van hagel. In extreme
gevallen worden tegelijkertijd windhozen of tornado's waargenomen. De onweerswolken
kunnen gemakkelijk door de tropopauze heen stoten en een top bezitten die tot
in de stratosfeer reikt.
 |
 |
|
|
Pyrocumulonimbus
Ook de pyrocumuluswolken blijken een grotere variant te kennen: de pyrocumulonimbus
of kortweg pyroCb. Dit type bewolking reikt eveneens tot in de stratosfeer en
gaat vergezeld van onweer, windvlagen en soms tornado's. Heftige, omvangrijke
branden kunnen een pyrocumulus volledig van energie voorzien; er is dan geen
condensatie nodig, zoals in het geval van de gewone onweersbuien. Bovendien
hinderen de rookdeeltjes het proces van neerslagvorming. Er valt dan ook niet
altijd regen uit een pyroCb en droge varianten bevatten soms vrijwel geen wolkendruppeltjes.
In andere gevallen zijn er wél wolkendruppeltjes en bovenin ijskristallen;
soms valt er zelfs hagel. Verder verplaatsen pyroCb's zich, zolang ze door een
groot gebied met intensieve branden gevoed worden, niet standaard met de wind
mee, zoals gewone Cb's, maar wordt hun positie aanvankelijk bepaald door de
vuurhaarden.
PyroCb's zijn vooral gekoppeld aan kruinbranden. De bosbrand heeft zich in dergelijke
gevallen opgewerkt van het aardoppervlak naar de toppen van de bomen en kan
zich daar zeer snel uitbreiden. Er zijn bij kruinbranden vlammen waargenomen
van 50 meter lang, terwijl het vuur zich voortplantte met een snelheid van 3,5
meter per seconde. De kruinbranden verbruiken meer brandstof, zijn veel heter
en brengen de verbrandingsproducten hoger in de atmosfeer. Met hulp van pyroCb's
kan, zo is inmiddels gebleken, de rook zelfs tot in de stratosfeer doordringen.
Pyrocumulonimbi waren in kringen van brandbestrijders al decennia lang bekend.
Het verschijnsel is er gevreesd door het grillige gedrag van de wind, waardoor
brandweerlieden soms in benarde situaties terecht komen. Een veel aangehaald
voorbeeld van een situatie met pyroCb vormen de bushbranden bij Canberra in
januari 2003 (figuur 3). Een van de pyroCb's ging toen vergezeld van een heuse
tornado, die voor het vuur uit de Australische hoofdstad binnentrok. Zo'n tornado
moet niet verward worden met de kleinschaliger vuurhoosjes, verwant aan stofhoosjes
op een snikhete zomerdag, die vaak langs de randen van grote natuurbranden worden
waargenomen. Een andere 'natuurlijke' situatie met pyroCb's trad op tijdens
de Black Saturday bushfires in februari 2009 in Victoria, Australië. Een
analoog verschijnsel deed zich verder voor bij zware bombardementen in de Tweede
Wereldoorlog op onder andere Londen, Dresden, Hamburg en Stalingrad. Ook bij
eerdere stadsbranden denkt men aan pyroCb's, bijvoorbeeld bij de brand van Rome,
64 na Chr., bij de grote brand van Londen van september 1666 en bij de branden
die woedden in San Francisco nadat er in 1906 een grote aardbeving had plaatsgevonden.
 |
 |
|
|
Tien jaar onderzoek
Ondanks de vertrouwdheid van de brandweer met pyrocumulonimbi, was het verschijnsel
bij atmosfeeronderzoekers minder bekend; in ieder geval wisten ze niet dat pyroCb's
hun invloed tot zo hoog in de atmosfeer konden doen gelden. Vandaar dat ze onder
andere bij het interpreteren van satellietmetingen van aerosolen in de stratosfeer
tot zo'n tien jaar geleden niet direct dachten aan pyroCb's en uitsluitend uitgingen
van deeltjes van vulkanische oorsprong. De knop ging pas om door het werk van
meteoroloog Mike Fromm van het Amerikaanse Naval Research Laboratory in Washington
DC. Al sinds de millenniumwisseling is hij bezig pyroCb's te onderzoeken en
de bekendheid ervan te vergroten. Samen met andere wetenschappers slaagde hij
erin de mysterieuze deeltjeswolken van 1989-1991 te herleiden tot grote natuurbranden
die in die periode waren opgetreden. Verder onderwierp hij de natuurbranden
aan een nader onderzoek die in 2002 in Canada en de Verenigde Staten waren opgetreden
en waarvan er verscheidene voldoende impact hadden gehad om de pers te halen.
Daarbij vond hij zeventien gevallen van pyroCb's, veel meer dan verwacht. Kennelijk
is het verschijnsel minder zeldzaam dan vroeger werd gedacht.
 |
 |
|
7. Dwarsdoorsnede door de atmosfeer op de positie van de pyrocumulonimbus van de figuren 4, 5 en 6, gebaseerd op data van de CALIOP op de Frans-Amerikaanse satelliet CALIPSO. Boven de hoge bewolking bevindt zich een laag met rook. Het satellietbeeld dat eerder werd getoond in figuur 4 is hier zodanig gedraaid dat de baan van de Calipso en dus lijn waarlangs de eronder getoonde dwarsdoorsnede is gemaakt, een horizontale lijn volgt. Bron: NASA/Earth Observatory. |
Branden in Rusland
De talrijke, intensieve natuurbranden in Rusland in de zomer van 2010 boden
Fromm een uitgelezen gelegenheid om op zoek te gaan naar nieuwe gevallen van
pyrocumulonimbus en zijn pogingen bekendheid te geven aan het verschijnsel te
intensiveren. Net als bij zijn onderzoek naar eerdere situaties met pyroCb's,
baseerde hij zich op satellietgegevens, zoals bijvoorbeeld het satellietbeeld
in natuurlijke kleuren van figuur 4. Linksboven zien we een helder wit wolkenscherm,
vermoedelijk samenhangend met een 'gewone' onweersbui of cumulonimbus. De wolk
werpt zijn schaduw in noordoostelijke richting op het aardoppervlak, dat daardoor
donker van tint is. Ten zuidoosten van het wolkenscherm bevindt zich boven een
gebied dat schuilgaat onder rook een vreemde, cirkelvormige, vaag bruin getinte
wolk. De cirkelvorm was duidelijk anders dan de wolkenstrepen eronder. Temperatuurmetingen
vanaf dezelfde satelliet lieten zien dat de cirkelvormige wolk kouder was dan
de overige bewolking, wat duidt op een grotere hoogte. Het satellietbeeld en
de temperatuurmetingen hebben betrekking op 1 augustus 2010 en zijn afkomstig
van de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) op de Amerikaanse
satelliet Terra. Op dit meetplatform bevindt zich ook de Multi-angle Imaging
Spectroradiometer (MISR), die onder verschillende hoeken naar het aardoppervlak
en de bewolking kijkt. Daardoor is het instrument onder andere geschikt voor
hoogtebepalingen van bewolking. De top van de cirkelvormige wolk bleek na analyse
van de MISR-gegevens een hoogte te hebben van ruim 12 kilometer (figuur 5).
De talrijke rookdeeltjes die door de pyroCb hoog de troposfeer en ook nog net
de stratosfeer in waren geblazen, werden ook gedetecteerd door het Nederlands-Finse
Ozone Monitoring Instrument (OMI) op de Amerikaanse Aura-satelliet, die enige
uren later hetzelfde gebied in kaart bracht (figuur 6). Het instrument trof
toen aerosolen aan boven de toppen van de hoge bewolking, dus in de stratosfeer.
Naast MODIS, MISR en OMI was er nog een vierde instrument op een satellietplatform
dat aanwijzingen leverde voor de aanwezigheid van een pyroCb. Het gaat in dit
geval om de Frans-Amerikaanse CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder
Satellite Observations) satelliet. Hierop is onder andere een LIDAR, de Cloud-Aerosol
Lidar with Orthogonal Polarization (CALIOP), geplaatst. Dit instrument verschaft
informatie over aanwezige lagen met bewolking, rook, stof, zand, vulkanische
as en andere aerosolen. Op basis hiervan kan een vertikale doorsnede van de
dampkring worden gemaakt waarop eventuele bewolking en aerosolen zichtbaar zijn.
Toevallig kwam de CALIPSO op 1 augustus over het gebied met de pyroCb. Op de
metingen was boven de hoge bewolking duidelijk een laag met aerosolen terug
te vinden, rook die door de pyroCb de stratosfeer in was gevoerd (figuur 7).
Daarmee werd deze pyroCb een van de best gedocumenteerde gevallen tot nog toe.
Rest nog de vraag hoe die pyrocumulonimbus daar boven Noord-Rusland terecht
kwam. Met behulp van een zogeheten trajectoriënmodel kan dit worden berekend.
Het weermodel gebruikt weerwaarnemingen en eerdere computeranalyses om achteruit
te rekenen en zo de herkomst van de lucht op verschillende niveaus in de atmosfeer
te bepalen te bepalen (zie Zenit juli/augustus 1991). Daarbij bleek dat de lucht
in de Noord-Russische pyrocumulonimbus van 1 augustus de dagen ervoor over het
gebied met snel heviger wordende bosbranden in West-Rusland was getrokken (figuur
8). 'Dankzij de satellietwaarnemingen weten we nu dat een pyrocumulonimbus aan
de explosieve toename van de branden boven West-Rusland op 30 augustus, heeft
bijgedragen', aldus Fromm.
 |
 |
|
Klimaat
Aerosolen die in de stratosfeer terecht zijn gekomen, kunnen zich daar lang
handhaven en grote afstanden afleggen. In de troposfeer zorgen wolken en regen
er nog voor dat de verontreinigingen terugkomen op het aardoppervlak, maar daarboven
ontbreken deze processen. De rook van de branden in Rusland van 2010 zweefde
na enige dagen boven het oosten van de Verenigde Staten.
Door de langere verblijftijd van deeltjes in de stratosfeer is het van belang
de invloed van natuurbranden met pyroCb's op de stralingshuishouding van de
atmosfeer, en daarmee op het klimaat, opnieuw in kaart te brengen. Datzelfde
geldt voor de bijdrage van vulkanen, omdat aerosolen die aanvankelijk voor vulkanische
as werden aangezien, nu afkomstig blijken van natuurbranden.
Literatuur:
Fromm, M. et al. (2010). The
untold story of pyrocumulonimbus, Bulletin of the American Meteorological
Society, september 2010.