Hoofdstuk 10: Temperatuur op en bij de weg.
Laatste wijziging: 1 juli 2004

GMS-sensor op Rijnbrug bij Rhenen.

Sneeuwsituatie.

Vorst alleen is niet voldoende.

10.1 inleiding
Dit hoofdstuk gaat over temperatuur. Voor het optreden van gladheid is de wegdektemperatuur van doorslaggevend belang. Met het GMS kunnen we deze temperatuur dan ook voortdurend volgen. Daarnaast meldt het gladheidmeldsysteem GMS andere temperaturen, zoals bijvoorbeeld de luchttemperatuur op 1.5 meter hoogte. Deze luchttemperatuur wordt ook in weerberichten genoemd, evenals de grasminimumtemperatuur. In dit hoofdstuk worden deze verschillende temperaturen besproken en komt hun onderlinge samenhang aan de orde. Verder wordt nagegaan welke factoren van invloed zijn op die verschillende temperaturen en dus ook op de mogelijkheid van het optreden van gladheid. Daarbij zal blijken dat vooral bewolking en wind een belangrijk stempel drukken op de temperatuur, terwijl daarnaast ondergrond en omliggend terrein een rol spelen. Maar eerst een paar definities:

10.2 temperatuurdefinities
De wegdektemperatuur wordt gemeten vlak onder het wegoppervlak. Als de wegdektemperatuur onder nul komt en het wegdek bovendien vochtig is, bestaat er groot gevaar voor gladheid. Meteorologen gebruiken voor hun waarnemingen en verwachtingen gewoonlijk de temperatuur van de lucht die gemeten wordt op 1.5 meter boven de grond, de zogeheten luchttemperatuur. De luchttemperatuur is, net als de wegdektemperatuur, met het GMS af te lezen. Hoewel er wel verbanden zijn tussen de luchttemperatuur, de temperatuur dicht bij de grond en de wegdektemperatuur, kan het verschil tussen de waarden die deze temperaturen aannemen ettelijke graden bedragen; soms liggen luchttemperatuur en grastemperatuur zelfs zes graden uit elkaar. Grote verschillen doen zich vooral voor in rustige, heldere nachten of in situaties waarin de temperatuur van de lucht en die van de bodem sterk uiteenlopen. Voor diverse toepassingen, zoals bijvoorbeeld in de landbouw, meten meteorologen de temperatuur ook op 10 centimeter hoogte boven kort gemaaid gras; de laagste waarde daarvan gedurende de nachtperiode is de zogeheten grasminimumtemperatuur. De grasminimumtemperatuur is maatgevend voor de weerberichtgeving als er gesproken wordt over 'vorst aan de grond'. Men bedoelt dan dat de waarde van de grasminimumtemperatuur onder nul ligt. De grasminimumtemperatuur kan, evenals de luchttemperatuur, sterk afwijken van de wegdektemperatuur: door de isolerende werking van het 10 cm dikke luchtlaagje ondergaat ze de invloed van de bodem minder en op de meetterreinen is geen verkeer. Voor de wegdektemperatuur maakt het nogal wat uit of er 's nachts warmte uit de bodem komt of dat er juist warmte in de bodem verdwijnt. De temperatuur ónder het wegdek geeft hierover informatie en is in het GMS opgenomen.

10.3 rustige, heldere dag en nacht

Fig. 10.1 Verloop van luchttemperatuur, grastemperatuur en wegdektemperatuur op een heldere dag en nacht.

In figuur 10.1 is het verloop van enkele temperaturen weergegeven op een rustige, heldere dag en nacht. Kromme A geeft de zogeheten dagelijkse gang weer van de luchttemperatuur. Duidelijk is te zien dat in de ochtend, als gevolg van de steeds hogere stand van de zon, de luchttemperatuur oploopt. De maximumtemperatuur treedt op ongeveer twee uur na de hoogste stand van de zon; daarna daalt de temperatuur weer. De afkoeling zet in de avond en nacht flink door, tot iets na zonsopkomst. De luchttemperatuur volgt dus heel goed de stand van de zon, zij het met enige vertraging. De temperatuur op 10 centimeter hoogte, de zogeheten grastemperatuur, volgt de luchttemperatuur heel goed. Vooral op dagen met rustig helder weer is de grastemperatuur overdag hoger en 's nachts lager dan de luchttemperatuur.Kromme B geeft de dagelijkse gang weer van de wegdektemperatuur weer. Duidelijk is dat de hoogste waarde veel hoger is dan de maximumtemperatuur van de lucht op 1.5 m; de laagste waarde ligt onder de minimumtemperatuur van de lucht. Verder vertoont ook deze kromme een duidelijke dagelijkse gang

. De verschillen tussen luchttemperatuur en wegdektemperatuur ontstaan als volgt: Als er weinig wind is, zoals in het geval van figuur 10.1, dan wordt de temperatuur van het wegdek vrijwel geheel bepaald door in- en uitstraling. Overdag wordt de zonnestraling door de bovenste paar millimeter van het wegoppervlak opgenomen en omgezet in warmte; slechts een klein deel ervan wordt doorgelaten verder de bodem in. De temperatuur van het wegdek loopt daardoor snel op. Het temperatuurverschil met de lucht dat zo ontstaat veroorzaakt warmteuitwisseling met de lucht, die op haar beurt eveneens warmer wordt, zij het minder snel dan het wegdek. De opwarming van het wegoppervlak en van de lucht komt pas enkele uren na de hoogste zonnestand tot stilstand: tot het zover is ontvangt het wegdek meer straling dan het zelf uitzendt. Tegen het einde van de middag komt er echter een moment dat het wegdek zelf meer straling uitzendt dan het van de zon ontvangt. Vanaf dat tijdstip verandert de situatie drastisch. Nu treedt er warmteverlies op, zodat de temperatuur van het wegoppervlak snel daalt. Er wordt nu vanuit de bodem warmte aangevoerd naar het oppervlak, maar dat is heel weinig. Ook is nu de temperatuur van de lucht hoger en komt er een warmtestroom op gang van de lucht naar de weg. Doordat er nauwelijks wind is, is deze warmtestroom betrekkelijk gering. Als gevolg daarvan bepaalt de straling van het wegdek zelf vrijwel volledig zijn temperatuur. De uitgestraalde warmte komt maar uit een heel dun laagje, zodat de temperatuur van de weg snel daalt. De luchttemperatuur zakt wel, maar veel minder snel; dat komt doordat het warmteverlies aan het oppervlak en door straling beperkt is.

10.4 gladheid in heldere nacht
In de vorige paragraaf werd beschreven hoe het wegdek in heldere nachten door uitstraling van warmte afkoelt. Tijdens het winterseizoen kan de temperatuur van het wegdek op die manier gemakkelijk onder het vriespunt komen. Voor gladheid is dan alleen nog vereist dat het wegdek vochtig is of wordt. In een heldere nacht valt er uiteraard geen regen of sneeuw; wel kan het wegdek nat of glad worden door dauwval, rijpafzetting of mist. Dauw ontstaat als de wegdektemperatuur daalt tot onder het zogeheten dauwpunt. De waterdamp in de lucht slaat onder dergelijke omstandigheden op het wegdek neer als vloeibaar water. Bij wegdektemperaturen onder nul zet de waterdamp zich af in de vorm van ijs: rijp. Tijdens het neerslaan van vocht in de vorm van dauw of rijp komt, evenals bij de vorming van mist, warmte vrij; soms is de vrijkomende warmte voldoende om verdere afkoeling te stoppen. Bij voortdurende uitstraling echter zal het vocht bevriezen vanaf het moment dat de temperatuur van het wegdek onder nul komt. Belangrijk voor het voortduren van condensatie is dat er voldoende aanvoer van vocht is. Meestal komt het vocht uit de lucht, maar bij zeer open asfaltbeton kan het vocht ook uit het asfalt komen. In plaats van dauwval, kan er ook mist optreden. Meestal komt daarbij zoveel condensatiewarmte vrij, dat het afkoelingsproces van de lucht vrijwel stopt. Bovendien gaat de mist verdere uitstraling van warmte door het wegdek tegen, zodat de wegdektemperatuur minder snel daalt. Indien de wegdektemperatuur desondanks zakt tot onder nul en er zich mist op het wegdek kan afzetten doordat de wegdektemperatuur lager is dan het dauwpunt, kan de mistaanslag bevriezen en gladheid veroorzaken. Als mist zich vormt bij een luchttemperatuur onder het vriespunt, zijn de mistdruppeltjes onderkoeld; ze kunnen zich dan als ijskristallen afzetten op voorwerpen en het op wegdek. Men spreekt in dat geval van ruige rijp of aanvriezende mist. Het optreden van dauwval of mistvorming hangt vaak af van subtiele verschillen in windsnelheid, bewolking en vochtigheid (zie verder hoofdstuk 11, neerslag en vocht op de weg).

10.5 de rol van de wind
Winderige dagen tonen een heel ander beeld dan heldere dagen met rustig weer. Dat komt doordat de wind een effectievere warmte- en vochtuitwisseling mogelijk maakt tussen de lucht en het wegdek. De wegdektemperatuur wordt als het waait vooral bepaald door de warmte-uitwisseling met de lucht erboven. Overdag loopt de wegdektemperatuur niet zo snel op als op windstille dagen; dat komt doordat de turbulente wind veel warmte naar de lucht afvoert en de weg dus een groter deel van de binnenkomende warmtestraling moet delen met de lucht erboven. Wel is de wegdektemperatuur, net als op windstille dagen, hoger dan de luchttemperatuur. Gedurende de nacht veroorzaakt de wind een warmtestroom in omgekeerde richting, dus van de lucht naar het wegdek. Hoe harder het waait, des te groter is die warmtestroom. Bovendien wordt de lucht vlak bij de grond nu erg goed gemengd met lucht daarboven. De luchttemperatuur op 1.5 meter hoogte wijkt daardoor nauwelijks af van de grastemperatuur. Ook het wegdek koelt onder dergelijke omstandigheden maar heel weinig af.

10.6 de rol van bewolking

Fig. 10.2 Temperatuurverloop op een bewolkte dag.

Naast de wind speelt de bewolking een grote rol bij het temperatuurverloop van de lucht en van het wegdek. Overdag houdt bewolking de zonnestraling gedeeltelijk tegen, waardoor de weg aanzienlijk minder straling ontvangt en de temperatuur niet zo sterk oploopt. Gedurende de avond en nacht, als de uitstraling door het wegdek overheerst, is de rol van de bewolking anders. Het wegdek straalt uit, net als in heldere nachten; de straling verdwijnt echter niet in de wereldruimte, maar wordt vrijwel geheel geabsorbeerd door de aanwezige bewolking en voor een belangrijk deel teruggezonden naar het wegdek. Hierdoor wordt de afkoeling sterk tegenwerkt (figuur 10.2). De hoeveelheid straling die de wolken opvangen en terugzenden, hangt sterk af van de bedekkingsgraad en van het type bewolking. Lage bewolking en mist zijn het meest effectief. Een paar gaten in de bewolking maken echter al dat veel straling toch naar de wereldruimte kan ontsnappen en er veel minder naar de weg teruggestraald wordt. Dus ook als er slechts enkele gaten in het wolkendek voorkomen, kan het wegdek toch sterk afkoelen. Men hoeft dus niet op brede opklaringen te wachten! Als de hemel vervolgens weer dichttrekt loopt de wegdektemperatuur overigens meteen weer op.

In weersituaties met buien komen vrijwel altijd ook opklaringen voor waarbij de wegdektemperatuur flink kan dalen. De combinatie van neerslag uit de buien en een sterk afkoelend wegdek vergroot de kans op gladheid. Als er een omvangrijk neerslaggebied in aantocht is, bijvoorbeeld samenhangend met een warmtefront, dan gaat dat vergezeld van een dik en dicht wolkendek. Tijdens bewolkt weer is de afkoeling van een wegoppervlak minimaal. Vooral na een koude periode, als de vorst nog in de grond zit, is het tijdstip van het overtrekken van de regenzone van groot belang. Als het rond zonsondergang begint te regenen, is er weinig aan de hand. Passeert de regenzone daarentegen pas tegen het einde van de nacht, dan is de situatie geheel anders: de nachtelijke afkoeling kan in dat geval namelijk samen met een koude bodem nog voor de hemel dichttrekt aanleiding geven tot een snelle daling van de wegdektemperatuur. Valt vervolgens de regen op een tot onder het vriespunt afgekoeld wegdek, dan vormt zich ijzel en is gladheid vaak onvermijdelijk.

10.7 de rol van de ondergrond
Naarmate het wegdek warmte beter geleidt, kan er gemakkelijker warmte uit de bodem aangevoerd worden of juist naar de bodem worden afgevoerd. Doordat asfalt warmte beter geleidt dan beton, speelt de bodem daar een relatief belangrijke rol. In kritieke situaties kan de stroom van bodemwarmte net de doorslag geven bij het onder nul geraken van de wegdektemperatuur. In het najaar, als de bodemtemperatuur op z'n hoogst is, is dat gunstig: er komt dan warmte uit de bodem naar de weg, die mogelijk net afkoeling tot beneden het vriespunt weet te verhinderen. Na een lange kouperiode daarentegen zit de vorst in de grond. De temperatuur van het wegdek kan dan wel boven nul zijn, maar is lager dan de temperatuur van de lucht er vlak boven. Kortdurende opklaringen zijn dan al voldoende om de temperatuur van het wegdek samen met de extra afkoeling vanuit de bodem tot onder het vriespunt te doen dalen, terwijl de temperatuur van de lucht er vlak boven gewoon enkele graden boven nul is. Is het wegdek dan bovendien nog vochtig, dan wordt het glad. Dit type gladheid is zeer verraderlijk, doordat vorstverklikkers in auto's, die de luchttemperatuur meten vlak boven het wegdek, een temperatuur boven nul aangeven en het ijs op het wegdek vaak doorzichtig is en dus nauwelijks te zien. De snelheid waarmee de bodem kan reageren op temperatuurveranderingen van het oppervlak, wordt bepaald door de warmte-eigenschappen van het wegdekmateriaal, dus door het warmtegeleidingsvermogen en de warmtecapaciteit. Dat verschilt per wegdektype. Hoe poreuzer het asfalt, des te slechter is het geleidingsvermogen. ZOAB bijvoorbeeld is poreuzer dan andere wegdekmaterialen; het bevat dus meer lucht. Nu is lucht een slechte warmtegeleider; de bodemwarmte wordt daardoor in ZOAB minder goed doorgegeven en het wegdek kan dus sneller afkoelen. De rol van de ondergrond is niet voor alle delen van het wegennet dezelfde. Het contact met de bodem is bij de hoger gelegen toe- en afritten veel 'losser'. Bruggen en viaducten hebben zelfs helemaal geen voeling met een ondergrond. Het temperatuurgedrag van deze wegdelen kan daardoor sterk afwijken, vaak in ongunstige zin. Vooral als de bodem relatief warm is moet men erop verdacht zijn dat deze warmtebron bij bruggen en viaducten ontbreekt en bij hoger gelegen toe- en afritten minder effectief is.

10.8 invloed van het omliggende terrein
Een volgende factor van invloed op de wegdektemperatuur die hier aan de orde komt is de omgeving waarin de weg zich bevindt. Het terrein oefent zijn invloed uit door beïnvloeding van de wind. Met name de zogeheten ruwheid van het terrein is van belang. Boven ruw terrein, dus waar veel begroeiing of bebouwing aanwezig is, is de luchtstroming turbulent. Er vindt veel warmteuitwisseling plaats tussen lucht en wegdek en tussen verschillende luchtlagen onderling. Als gevolg daarvan wordt afkoeling tegengewerkt. In glad terrein, waar bebouwing en begroeiing de langsstromende lucht minder hinderen, wordt de lucht veel minder gemengd; een wegdek kan dan ook ongeremd afkoelen. In een vlak polderlandschap zet die sterke afkoeling al in bij windkracht 2, ongeveer 2.5 m/s. Ruw terrein kan overigens ook beschutting bieden. Als de weg bijvoorbeeld door een bos loopt, ondergaat het wegdek geen invloed van de wind en kan het daardoor relatief snel afkoelen. Doordat de lucht in een bosachtige omgeving vaak vochtiger is dan elders, is de gevoeligheid voor condensatiegladheid groot (zie voor condensatiegladheid verder hoofdstuk 11, neerslag en vocht op de weg) In een stad, waar bebouwing is, koelt de lucht 's nachts minder af dan op het omringende platteland. Mede door de warmteproduktie van de stad (verwarming door gebouwen, verkeer) is de luchttemperatuur er 's nachts hoger dan in de omgeving; bij een stad als Utrecht zijn wel verschillen gemeten van 7 graden tussen het centrum van de stad en even daarbuiten in de Johannapolder aan de oostzijde. Daarnaast absorberen gebouwen van de stad veel van de uitgestraalde energie; ze stralen die weer naar het aardoppervlak terug, zodat een wegdek minder afkoelt. Dit effect treedt ook op als je op een heldere nacht je auto naast een gebouw hebt staan. De onbeschutte zijde straalt vrijelijk uit en koelt sterk af (ijsvorming op de ruit; krabben). De beschutte zijde ontvangt straling van het gebouw en koelt veel minder sterk af, waardoor ook vaak geen ijsvorming optreedt.

10.10 weersituaties met gladheid
De meteorologische omstandigheden waarbij snelle temperatuurdalingen aan het aardoppervlak kunnen optreden, doen zich bijvoorbeeld voor bij een nachtelijke koufrontpassage. Het front trekt over met veel bewolking, regen en wind, maar daarachter zwakt de wind af, klaart het op en daalt de luchttemperatuur, ideale condities voor een sterke afkoeling van het wegdek. Dit alles kan zich gemakkelijk in een uur tijds voltrekken. Soms zien we op het GMS temperatuurdalingen van het wegdek van een paar graden per uur! Als het wegdek bovendien nog nat of vochtig is door de tijdens het passeren van het front gevallen neerslag, dan leidt dat gemakkelijk tot gladheid, vooral in vlak terrein. Snelle temperatuurveranderingen aan het aardoppervlak doen zich voornamelijk voor bij frontpassages; de ene luchtsoort wordt vervangen door een luchtsoort met totaal andere eigenschappen. Voor het ontstaan van gladheid is zo'n sterke temperatuurdaling overigens niet strikt noodzakelijk. Uit onderzoek bleek dat gladheid veel voorkomt als er in de winter een westelijke of noordelijke luchtcirculatie boven Nederland en omgeving staat; er wordt dan lucht via de Noordzee aangevoerd. Deze lucht is in de onderste lagen erg vochtig. Is het onder dergelijke omstandigheden gedurende de avond en nacht helder en valt als gevolg van de dagelijkse gang van de windsnelheid de wind weg, dan vindt sterke afkoeling door uitstraling plaats. De lucht koelt af tot het dauwpunt en er ontstaat dauw. Een wegdek koelt dan vaak nog sterker af dan de omgeving, vaak tot onder het dauwpunt, waardoor het vocht op het wegdek neerslaat. In de praktijk zie je dat als het verschil tussen wegdektemperatuur en dauwpuntstemperatuur meer dan twee graden bedraagt de weg na ongeveer twee uur door condensatie nat is. Verdere afkoeling tot temperaturen rond of onder het vriespunt kan in dit soort situaties leiden tot gladheid, al of niet in combinatie met mist. Bruggen, met name stalen bruggen, viaducten, en op- en afritten zijn hiervoor extra gevoelig. Ook lokale effecten spelen een grote rol. Er treden daardoor in die situaties altijd aanzienlijke verschillen op tussen de ene plaats en de andere.

Fig 10.4 Satellietbeeld van een winters Europa. Noord-Nederland is vrij van sneeuw; het zuiden is met sneeuw bedekt.

In het voorgaande was er sprake van condensatiegladheid of van het bevriezen van natte wegen. Wegen kunnen uiteraard eveneens glad worden door hagel, sneeuw of ijzel (vergelijk figuur 10.4); deze neerslagvormen worden in het volgende hoofdstuk (neerslag en vocht op de weg) uitvoeriger besproken. Bij een noordelijke luchtcirculatie boven Nederland en omgeving, met daarin een aanvoer van koude onstabiele lucht, ontwikkelen zich boven het relatief warme Noordzeewater gemakkelijk winterse buien. Deze buien komen in de kustprovincies gedurende het hele etmaal frequent voor; landinwaarts is dat veelal alleen overdag. Wanneer echter de wind in de avond en nacht niet wegvalt, kunnen deze buien ver het land binnendringen. De buien geven in het algemeen aanleiding tot zeer plaatselijke gladheid. Gladheid op grote schaal doet zich voor bij een dooiaanval na een vorstperiode. De vorst zit dan nog in de bodem, terwijl ook de lucht erboven nog een temperatuur beneden nul graden heeft. Uit een westelijke richting dringt dan zachtere lucht op naar ons land. De neerslag die bij het passeren van het warmtefront valt, is vaak in eerste instantie sneeuw. In een volgend stadium heeft de warme lucht op enige hoogte zoveel terrein gewonnen dat de sneeuw begint te smelten en overgaat in regen. De regen of motregen, die dan meestal ook nog onderkoeld is, bevriest direct op het wegdek. Veel regen hoeft er niet te vallen: een beetje motregen is zelfs al voldoende om de weg spekglad te maken. We spreken dan van ijzel. Meestal duurt een ijzelperiode niet langer dan enkele uren; na het passeren van het warmtefront, wat vaak gepaard gaat met veel wind (dus veel menging), stijgt de temperatuur gewoonlijk sterk tot enkele graden boven nul en daardoor smelt het ijs. Soms echter trekt zo'n warmtefront tergend langzaam over of stagneert het zelfs. Ook kan het voorkomen dat de koude lucht zich niet laat verdrijven; koude lucht is namelijk zwaarder dan warme lucht en wanneer continentale zuidoostenwinden koude lucht blijven aanvoeren kan de warme lucht alleen op enige hoogte verder oprukken. Door het gedwongen opstijgen van de zachte vochtige lucht wordt bovendien het ontstaan van neerslag verder in de hand gewerkt. Een ijzelperiode kan onder deze omstandigheden soms wel een etmaal aanhouden. Maar zelfs wanneer de warme lucht tot de onderste luchtlagen is doorgedrongen en ook de temperatuur van het wegdek boven nul is gekomen, is het gevaar op gladheid nog niet helemaal geweken. Tijdens een volgende heldere nacht kan het wegdek, door het nog aanwezig zijn van vorst in de grond, opnieuw tot onder vriespunt afkoelen. Als de weg dan nog nat is of nat wordt door dauwafzetting kan het onder deze omstandigheden glad worden.

10.11 zeer open asfaltbeton (zoab)
Het zeer open asfalt beton vertoont door een afwijkende samenstelling wat verschillen met dicht asfalt beton. Deze verschillen worden veroorzaakt door een ander thermisch gedrag van het ZOAB-materiaal, voornamelijk door het aanwezig zijn van lucht in de poriën. Zoals bekend is lucht een goede isolator waardoor bodemwarmte in het geval van ZOAB vrijwel niet wordt doorgegeven aan het wegdekoppervlak. De wegdektemperaturen van het ZOAB zijn daardoor in het algemeen lager dan die van dicht asfaltbeton.