Scheepswolken studieobject
Kees Floor. Zenit, juni 2003 en Schip en Werf de Zee, november
2003. Laatste wizjziging: 3 januari 2009.
Bij rustig weer aan de flank van hogedrukgebieden boven de oceaan laten schepen af en toe wolkensporen achter (figuur 1). De sporen zijn langwerpig, waaieren enigszins uit, lijken soms wat te zig-zaggen en hebben daardoor wel wat weg van rookpluimen. Ze lijken zich weinig aan te trekken van de heersende windrichting. De scheepswolken kunnen tot 1000 km lang worden en variëren in breedte van enkele kilometers, dicht bij het schip, tot enkele tientallen kilometers op grotere afstand. De wolkenpluimen blijven enkele uren tot enkele dagen in tact. Op satellietbeelden zijn ze geregeld te zien, waarmee zelfs schepen die zich onder bewolking proberen te verschuilen tegen spionagesatellieten, hun aanwezigheid verraden. Daar was de Amerikaanse marine natuurlijk niet zo blij mee; vandaar dat ze reeds in de jaren zeventig van de vorige eeuw onderzoek begon te verrichtten of te financieren naar het optreden van dit verschijnsel. De weersomstandigheden waaronder scheepswolken ontstaan, konden zo verder worden vastgelegd. Naast de reeds genoemde nabijheid van een hogedrukgebied en de zwakke tot matige wind bleek een hoge luchtvochtigheid vereist van 90% of meer. Het zeewater is dan meestal net iets warmer dan de lucht erboven. Vaak is het enigszins mistig of zit er een dunne laag bewolking, - in het meteorologisch jargon stratus of stratocumulus, - op geringe hoogte. Soms valt er uit de stratocumulus wat lichte motregen. In gevallen waarin het temperatuurverloop met de hoogte kon worden vastgesteld, bleek er een dunne, onstabiele en vochtige luchtlaag boven de oceaan aanwezig: de zogenoemde maritieme grenslaag. Aan de bovenzijde daarvan blijft de temperatuur constant of neemt ze zelfs iets toe, een zogeheten inversie. Deze inversie wordt veroorzaakt door dalende luchtbewegingen die kenmerkend zijn voor hogedrukgebieden en heet daarom ook wel subsidentie-inversie. Eventuele stratus- of stratocumulusbewolking bevindt zich net onder de inversie en datzelfde geldt voor de scheepswolken, indien die zich vormen. |
Figuur 1: Scheepswolken boven de Stille Oceaan voor de Amerikaanse westkust. |
Figuur: Scheepswolken boven de Stille Oceaan. (MODIS) |
Figuur: Scheepswolken boven de Stille Oceaan voor de Amerikaanse westkust. (MODIS) |
Figuur: Scheepswolken boven de Golf van Biskaje en de Atlantische Oceaan; 27 januari 2003. Rechts is de Franse westkust in beeld, rechtsonder de Spaanse noordkust. (MODIS) |
Wolkenfysica
Het optreden van wolkensporen achter schepen
herinnert ons eraan dat er bij een verklaring van wolkenvorming meer komt kijken
dan condensatie van waterdamp in tijdens al dan niet gedwongen opstijging afgekoelde
lucht. De waterdamp is afkomstig van het aardoppervlak; de zon levert de benodigde
verdampingswarmte en klaar is Kees. Als dit het hele verhaal was, zouden de schepen
geen invloed hebben op details van de bewolking die bij aanwezigheid van de wolkensporen
zichtbaar is. Dat dit in werkelijkheid wel het geval is, komt doordat in de atmosfeer
het proces van wolkenvorming op gang wordt gebracht door condensatiekernen, zo
leert ons de wolkenfysica. Wolkenfysica is het onderdeel van de meteorologie dat
gaat over de vorming en het oplossen van bewolking. Condensatiekernen zijn microscopisch
kleine, onzichtbare maar overvloedig aanwezige deeltjes in de lucht. De meeste
condensatiekernen zijn van natuurlijke oorsprong; daarnaast is een deel afkomstig
van menselijke activiteit, met name verbranding van fossiele brandstoffen of biomassa.
Zonder condensatiekernen zou het op aarde steeds onbewolkt zijn en zou de lucht
waarin we leven altijd vettig en vochtig zijn; satellietfoto's zouden een oeverloze
herhaling vormen van wat we al kennen van de Bos-atlas.
De eigenschappen
van de kleine deeltjes in de lucht lopen uiteen; vooral als ze makkelijk oplossen
in water, blijken ze een grote aantrekkingskracht voor waterdamp te bezitten en
een sterke stimulans te vormen voor het ontstaan van wolken. Deeltjes met deze
eigenschap noemt men hygroscopisch. De rook van schepen bevat zwaveldioxide, dat
hygroscopische sulfaatdeeltjes kan vormen. In de rookpluim is het aantal deeltjes
dat voor druppelvorming beschikbaar is, veel groter dan daarbuiten. Dit geldt
des te sterker voor de lucht waarin de scheepswolken zich gewoonlijk vormen; deze
blijkt namelijk van zichzelf relatief schoon te zijn en weinig werkzame condensatiekernen
te bevatten. Daarom zien we de scheepswolken ook alleen op de oceanen. Boven de
Middellandse Zee of de Oostzee zijn ze nooit waargenomen omdat de lucht er altijd
over land komt aanwaaien en daardoor niet zuiver genoeg is. Boven de Noordzee
doen de wolkensporen van schepen zich wel eens voor (zie figuur 2); bij noordwestenwinden
kan de zuivere oceaanlucht namelijk ook over de Noordzee uitstromen.
Het beschikbare
vocht verdeelt zich in de rookpluim van schepen over veel meer condensatiekernen
dan daarbuiten. Wolken met veel kleine druppeltjes reflecteren opvallend zonlicht
sterker dan andere wolken met evenveel water erin, maar verdeeld over een kleiner
aantal grotere druppels. Op deze manier waren de witte pluimen op de satellietfoto's
verklaard (figuur 3). Meteorologen kunnen de gebieden aangeven waar zich gemakkelijk
scheepswolken vormen en militairen kunnen er bij hun manoeuvres rekening mee houden.
|
|
Openluchtlaboratorium
Ook al leek het verschijnsel nu volledig
verklaard, toch bleven onderzoekers geïnteresseerd in de scheepswolken. Na
de militaire invalshoek van de jaren zeventig, werd in de decennia daarna het
onderzoek naar klimaat en klimaatveranderingen de drijfveer. Men vermoedt dat
bewolking bij die klimaatveranderingen een belangrijke rol speelt; daarom wilde
men meer te weten komen over de processen die met wolkenvorming gemoeid zijn.
Ook de invloed van menselijke activiteit op het gedrag van bewolking moet daarbij
in kaart gebracht worden. Scheepswolken vormen in dat kader een dankbaar studieobject;
bovendien zijn de omstandigheden om dat onderzoek uit te voeren in de regio's
waar de scheepswolken optreden, ideaal. Over het algemeen komt daar namelijk weinig
turbulentie of convectie voor, wat erop neer komt dat de atmosfeer er rustiger
is dan boven land. Daarnaast vormt de subsidentie-inversie aan de bovenzijde van
de maritieme grenslaag als het ware een deksel op die laag die voorkomt dat de
te onderzoeken stoffen te sterk verdunnen. Zoals gezegd ontstaan scheepswolken
uit een bron van verontreiniging in relatief schone lucht; aan die verontreiniging
kan daardoor makkelijk gemeten worden. Vergelijk dit met de situatie boven land,
waar zoveel uiteenlopende verontreinigingsbronnen zijn die vanuit verschillende
locaties stoffen in de dampkring brengen, dat je het overzicht snel kwijt bent.
Bovendien is de uitwisseling met hoger gelegen luchtlagen boven land over het
algemeen veel intensiever, zodat de te meten stoffen sterker verdund raken en
moeilijker meetbaar zijn. We zagen reeds dat de scheepswolken zich enkele uren
tot enkele dagen kunnen handhaven; dat is lang genoeg om de onderzoekers, meestal
wolkenfysici, rustig hun werk te laten doen. Kortom, de gebieden waarin zich wolkensporen
van schepen bevinden, vormen een ideaal openluchtlaboratorium voor wolkenfysici,
die daar dan ook dankbaar gebruik van maakten. De werkvoorbereiding vond thuis
of op een instituut plaats aan de hand van satellietfoto's zoals figuur 1; voor
het eigenlijke meetwerk moest men met meetvliegtuigen naar het openluchtlab.
Dat leverde onder meer de volgende onderzoeksresultaten op: In de scheepswolken
bleek het aantal waterdruppeltjes per cm3 het dubbele van wat daarbuiten werd
gemeten. De diameter van de druppeltjes was 6% kleiner, veelal te klein om nog
motregen te kunnen opleveren. De hoeveelheid wolkenwater per m3 bleek verdubbeld!
Vooral dat laatste was totaal onverwacht; voor de verklaring van scheepswolken
zoals die in de vorige paragraaf werd gegeven, was een toename van de waterinhoud
namelijk niet noodzakelijk. Het reflecterend vermogen van de scheepswolken wordt
door dit effect extra opgevoerd. Satellietdata lieten zien dat de scheepswolken
13% helderder zijn dan de omringende bewolking.
Gevolgen voor klimaatverandering
De onderzoeksresultaten zijn belangrijk voor de studie van klimaatverandering.
Kennelijk bevordert de uitstoot van zwaveldioxide (SO2), dat naast koolstofdioxide
(CO2) vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, de wolkenvorming;
tevens verhoogt het de reflectiviteit van bewolking en onderdrukt het de neerslag.
Zonlicht dat door wolken wordt teruggekaatst, bereikt het aardoppervlak niet meer
en kan ook niet worden vastgehouden door het broeikaseffect. Mogelijk verklaart
deze gang van zaken dat de temperatuurstijging op het zuidelijk halfrond, waar
minder menselijke activiteit plaatsvindt en waar minder biomassa wordt verbrand,
groter is dan op het noordelijk halfrond.
Dit betekent overigens niet dat
we de opwarming van de aarde kunnen tegengaan door meer fossiele brandstoffen
te gebruiken. Het CO2 verblijft jaren in de atmosfeer en verspreidt zich over
de hele aardbol De sulfaatdeeltjes vallen langzaam naar beneden of regenen uit,
verblijven daardoor korter in de dampkring en steken vrijwel nooit de evenaar
over. De opwarming CO2 is dus mondiaal terwijl de tempering van de aanwarming
door SO2 en daarvan afgeleide stoffen slechts regionaal plaatsvindt.
Scheepswolken
op satellietbeelden
Tot slot terug naar de satellietbeelden. Het beeld
van figuur 1 toont haarscherp talrijke scheepswolken boven de Stille Oceaan voor
de Amerikaanse westkust. De getoonde opname werden gemaakt op 1 april 200 en is
afkomstig van de SeaSTAR satelliet. Deze satelliet werd gelanceerd op 1 augustus
1997 en cirkelt op een hoogte van 705 km rond de aarde. Aan boord bevindt zich
de Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS), bedoeld voor onderzoek aan
de oceanen en als prototype van toekomstige generaties satellietsensoren.
De zeldzame wolkensporen van schepen op de Noordzee werden in beeld gebracht door
de Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) van de Amerikaanse operationele
weersatelliet NOAA 8 op 21 juni 1983. De NOAA 8 werd gelanceerd op 28 maart 1983
en bleef satellietbeelden naar de aarde zenden tot eind oktober 1985.
Onderstaand satellietbeeld toont scheepswolken ten noordwesten van Madeira