Hoofdstuk 7 van Kees Floor: 'Het weer op satellietbeelden', Elmar, Rijswijk 2005
Hoofdstuk 7 van Kees Floor: 'Het weer op satellietbeelden',
Elmar, Rijswijk 2005
Stapelwolken organiseren zich boven warm oceaanwater
niet alleen volgens het patroon van koordwolken of wolkenstraten dat in het vorige
hoofdstuk werd beschreven. Na een langer verblijf van de lucht boven water wordt
gewoonlijk een ander patroon zichtbaar, bestaand uit min of meer zeshoekig cellen.
Binnen het cellenpatroon komen weer twee verschillende varianten voor: de gesloten
cellen en de open cellen. In gesloten cellen stijgt de lucht in het midden van
de cel en daalt hij aan de randen (figuur a). De bewolking vormt zich, net als
bij de wolkenstraten en de meeste andere gevallen van wolkenvorming, in de opstijgende
lucht. In open cellen is de stroming net andersom; nu daalt de lucht in het midden
en treden de stijgbewegingen, - en dus ook bewolking, - op aan de randen (figuur
b)..
De zeshoekige cellen doen zich voor in een luchtlaag waarin de temperatuurverschillen
tussen boven- en onderzijde groot zijn. Dat is het geval boven warm zeewater,
maar ook als de bovenkant van de bewolking door uitstraling van warmte naar de
wereldruimte is afgekoeld. Vooral als de lucht boven een zogeheten inversie, die
de laag met bewolking aan de bovenkant begrenst, erg droog is, kunnen de wolkentoppen
op deze manier 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 onder 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.
 |  |  |
2.
Open zeshoekige cellen boven de Noordzee, 13 november 2004. De gegevens van de
NOAA-weersatelliet werden kunstmatig ingekleurd op het DLR Institut für Physik
der Atmosphäre, Oberpfaffenhofen, Duitsland. |
| 5. Open zeshoekige cellen ten westen van Nieuw Zeeland, 30 mei 2002. De tinten van het zeewater langs de kust hangen samen met algenbloei en sediment (zie hoofdstuk 17, Kleurrijk oceaanwater). Satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team. |
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.
 |
 |
| a. Grootschalige dalende luchtbewegingen veroorzaken een inversie, waaronder zich een patroon vormt met zeshoekige cellen. In het geval van gesloten cellen worden grote, bewolkte gebieden met stijgende bewegingen afgewisseld door smalle, onbewolkte zones waarin de lucht daalt. |
|
Kenmerken
Patronen met open cellen en vrijwel wolkenloze
kernen, komen vooral voor in over relatief warm zeewater uitstromende koudere
lucht. De verandering van de windrichting en windkracht 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 (zie beeld 3).
Satelliebeelden
De
Rayleigh-Bénard convectiecellen zijn boven de oceanen op satellietbeelden
geregeld te zien. Bij noordwestenwinden is de Noordzee te beschouwen als een verlengstuk
van de Atlantische Oceaan, zodat verschijnselen die zich normaliter alleen boven
de oceaan voordoen, dan ook boven de Noordzee waargenomen kunnen worden (beeld
2).
 |  |
| 1. Gesloten zeshoekige cellen
boven het zuidelijk gedeelte van de Atlantische Oceaan, 6 juni 2002. Het beeld
is afkomstig van de Amerikaanse satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid
Response Team. | 3. Open én gesloten zeshoekige cellen boven het oostelijk gedeelte van de zuidelijke Stille Oceaan, 7 augustus 2002. Het beeld is net als beeld 1 afkomstig van de Amerikaanse satelliet Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team. Zie ook: actinoforme bewolkingspatronen. |