Kees Floor 2011. Tekst presentatie cursussen weerkunde.

De atmosfeer is een en al beweging. Dat kun je bijvoorbeeld zien als je een animatie van satellietbeelden bekijkt (figuur 1). De optredende luchtstromingen hangen samen met temperatuurverschillen die zich op aarde voordoen. Zo worden luchtstromingen op wereldschaal veroorzaakt door temperatuurverschillen tussen de gebieden rond de evenaar en de poolstreken. Hieronder gaan we eerst na hoe die temperatuurverschillen ontstaan. Daarna beschrijven we de luchtcirculaties die eruit voortvloeien. Vervolgens zoomen we in op wat er gebeurt op gematigde breedten, waar vooral depressies met fronten het weerbeeld bepalen.

1. De atmosfeer is voortdurend in beweging, zoals onder andere satellietbeelden dagelijks tonen. Vooral op het laatste beeld (8 september 2003) is de tropische cycloon Isabel goed zichtbaar. Isabel is onderweg naar de Verenigde Staten. (groter)
2. De zon zendt energie en warmte uit in alle richtingen. Een deel daarvan wordt ingevangen door de aarde	3a (linksboven). Binnenkomende zonnestraling, gemiddeld per maand. In de buurt van de evenaar komt weer zonne/energie terecht dan in de buurt van de polen. (groter flash/gif). 3b (linksonder, blauw).Uitgaande langgolvige straling, gemiddeld per maand. (groter flash/gif). 3c (rechts). Verschil tussen binnenkomende en uitgaande straling, gemideld per maand. (groter flash/gif). (Vergroting van bovenstaande 3-in-1 figuur).

Energie van de zon
De energie om al die luchtbewegingen te doen plaatsvinden, wordt geleverd door de zon. Deze zendt energie en warmte uit in alle richtingen. Een deel daarvan wordt ingevangen door de aarde (figuur 2). In de buurt van de evenaar komt meer energie van de zon op het aardoppervlak terecht dan bij de pool (figuur 3a). Dat komt doordat het zonlicht min of meer loodrecht op het aardoppervlak invalt aan de evenaar en schuin invalt bij de polen (figuur 4). Elke bundel zonlicht bevat evenveel energie, maar bij loodrechte inval komt die energie ten goede aan een kleiner oppervlak dan bij schuine inval. Vergelijk in de figuur het aantal bundels zonlicht dat terecht komt op het rode oppervlak als dat zich op de noordpool bevindt met een positie bij de evenaar (instellen met de knop onderaan). De situatie is vergelijkbaar met die van een zaklamp, die eerst schuin op de muur is gericht (figuur 5) en daarna loodrecht erop (verplaats de zaklamp met de muis).

4. Waar het aardoppervlak loodrecht staat op de invallende zonnestraling, - dat is in de buurt van de evenaar, - komt per vierkante meter veel meer zonne-energie binnen dan op plaatsen waar het zonlicht langs het aardoppervlak scheert, zoals in de poolstreken. (stel de geografische breedte van het rode zonlichtopvangende oppervlak in met de schuifknop). (groter).	5. Vergelijk met een zaklamp. Zet de zaklamp met de muis hoger of lager. (groter).	6a. (muis naast beeld) Binnenkomende straling (geel): De zon levert energie (kortgovige straling). 6b. (muis op beeld) Uitgaande straling (rood): De aarde straalt zelf warmte uit (langgolvige straling).

Warmtestraling van de aarde
Om nu al te concluderen dat er meer zonnewarmte terecht komt op de evenaar en dat het daardoor warmer is in de tropen, is wat voorbarig. De binnenkomende warmtestroom is namelijk niet de enige waarmee we te maken hebben. Zou dat het geval zijn, dan zou de aarde steeds verder opwarmen.
Elk voorwerp met een temperatuur boven het absolute nulpunt van min 273 graden zendt echter warmtestraling uit; de aarde doet dat dus ook (figuur 6). Zo raakt de aarde dus ook weer warmte kwijt.

7. Stralingsbalans. De hoeveelheid door de aarde uitgezonden warmtestraling is min of meer gelijk aan de hoeveelheid netto ontvangen zonnestraling.	8. De netto binnenkomende hoeveelheid straling is wat er binnenkomt aan de rand van de atmosfeer min wat er wordt teruggekaatst naar de wereldruimte. Als de aarde een constante temperatuur heeft moet de netto straling gelijk zijn aan de door de aarde uiutgezonden warmtestraling.	9. Gemiddelde temperatuur per maand. (Groter flash/gif).

Stralingsbalans
In eerste benadering heeft de aarde als geheel een min of meer constante temperatuur. Dat kan alleen als er ongeveer evenveel warmte verdwijnt als er binnenkomt; binnenkomende straling en uitgaande straling moeten in evenwicht, in balans zijn. Men spreekt wel van de stralingsbalans van de aarde (figuur 7); die geeft aan dat de aarde inderdaad ongeveer evenveel warmtestraling uitzendt naar de wereldruimte als er effectief binnenkomt aan zonnestraling. De effectief binnenkomende hoeveelheid straling is wat er binnenkomt aan de rand van de atmosfeer min wat er door bewolking of door het aardoppervlak wordt teruggekaatst naar de wereldruimte (figuur 8).

Netto straling
Om te weten of een gebied op aarde opwarmt danwel afkoelt, moeten we dus niet alleen nagaan hoeveel straling er binnenkomt (figuur 3a), maar ook hoeveel er weer verdwijnt (figuur 3b). Het verschil hiertussen heet netto straling (figuur 3c). Als in een gebied de netto straling positief is, komt er meer straling binnen dan eruit gaat en warmt het dus op. In figuur 3c zien we dat de netto straling in de tropen en subtropen groter dan nul is (rood en geel), zodat het daar relatief warm is. De poolstreken raken meer warmte kwijt dan er binnenkomt (blauwe tinten); daar is het dus relatief koud.

Luchtcirculatie
De verdeling van de netto straling over het aardoppervlak, zoals weergegeven in figuur 3c, zou normaal gesproken moeten leiden tot steeds verder opwarmende tropen en subtropen en steeds verder afkoelende poolgebieden. Toch blijkt dat niet het geval en stelt zich een situatie in met een temperatuurverdeling zoals weergegeven in figuur 9. Hoe kan dat?
Dat komt doordat de temperatuurverschillen op aarde luchtcirculaties op gang brengten; deze maken dat de temperatuurtegenstellingen tussen polen en evenaar beperkt blijven.
Warme lucht is lichter dan lucht in de omgeving en stijgt daardoor op (figuur 10). Er kan een luchtcirculatie ontstaan zoals in de kamer van figuur 11. Overeenkomstig daarmee zou je op aarde een luchtcirculatie verwachten zoals weergegeven in figuur 12. Zo'n luchtcirculatie noemt men een hadleycel; ze wordt in deze vorm, met op het noordelijk halfrond uitsluitend noordenwinden, niet waargenomen.

13. Algemene circulatie (aarde draait niet, geen corioliseffect) (groter)	14. Algemene circulatie (draaiende aarde) (groter)

Drie cellen
In werkelijkheid vinden we niet slechts één, maar drie circulatiecellen per halfrond (figuur 13). Bij de warme evenaar (doldrums) vinden we opstijgende lucht, die op grotere hoogte in de richting van de polen beweegt, vervolgens in de subtropen daalt naar het aardoppervlak (paardenbreedten, horse latitudes) en terugstroomt richting evenaar. Deze circulatie doet sterk denken aan de Hadleycel, maar bestrijkt een kleiner gebied. Hadleycellen vinden we ook in de poolstreken. Tussen de beide cellen in bevindt zich op beide halfronden een minder uitgesproken cel met omgekeerde draairichting. Merk op dat de figuur in de gebieden met hadleycellen op het noordelijk halfrond noordenwinden geeft; op de gematigde breedten zijn zuidenwinden aangegeven.
Figuur 14 lijkt op figuur 13, maar nu zien we op het noordelijk halfrond tussen de evenaar en de subtropen noordoostenwinden, de zogeheten noordoostpassat. Op gematigde breedten, de zogeheten gordel van westenwinden, is de windrichting zuidwest. Klik eerst op de knop Ideal Hadley Cell om de hadleycirculatie te zien. Klik vervolgens op de knop Mitlatitude components om de op gematigde breedten heersende winden te bekijken.

15. Door de draaiing van de aarde krijgen luchtbewegingen op het noordelijk halfrond een afwijking naar rechts. (groter). (Meer animaties van het corioliseffect).	16. Rond lagedrukgebieden (meestal aangegeven met een L, maar hier met B) waait de wind tegen de wijzers van de klok in, rond hogedrukgebieden met de wijzers van de klok mee.	17. Lucht stroomt rond een lageddrukgebied tegen de wijzers van de klok in. Daardoor staan er aan de voorkant van een depressie zuidwestenwinden, waarmee zachte lucht naar het noorden wordt gevoerd (muis op beeld, rode pijl). Aan de achterzijde van de depressie stroomt koude, van de noordelijke oceaan of uit de poolstreken afkomstige lucht naar het zuiden (blauwe pijl).

Draaiende aarde
Het verschil tussen de figuren 13 en 14 is dat de aarde in figuur 13 stilstaat en in figuur 14 rond haar as draait. Door de draaiing van de aarde buigt de wind op het noordelijk halfrond af naar rechts. Dit effect staat bekend als het corioliseffect of het effect van de afbuiging door de aardrotatie (zie figuur 15). Het effect levert mede een bijdrage aan het ontstaan van de gordel van westenwinden op gematigde breedten; Nederland en België bevinden zich in deze zone. We richten in het nu volgende onze aandacht op wat er gebeurt in die zonen met westenwinden.

Gematigde breedten
In de gordel van westenwinden drijven talrijke depressie van west n aar oost; deze bepalen het weer in die zone voor een belangrijk deel. Hoewel de windrichting aan de grond in onze omgeving gemiddeld over langere perioden zuidwest is, komen er in kortere tijdsintervallen als gevolg van die depressies allerlei andere windrichtingen voor.
Naast waarnemingen van de windrichting kan ook het isobarenpatroon helpen de windrichting te bepalen. De wind waait namelijk min of meer evenwijdig aan de isobaren en tegen de wijzers van de klok in rond lagedrukgebieden en met de wijzers van de klok mee rond hogedrukgebieden (figuur 16). (zie verder het artikel 'Luchtdruk, weerkaart en satellietbeeld' of het wat dieper gaande 'Luchtdruk en wind', hoofdstuk 5 van 'Weerkunde, Meteorologie voor iedereen'). Daardoor staan er aan de voorkant van een depressie zuidwestenwinden, waarmee zachte lucht naar het noorden wordt gevoerd (figuur 17, rode pijl). De voorste begrenzing van die zachte lucht noemt men het warmtefront; het wordt op de weerkaart weergegeven in rood en met halve, opgevulde bolletjes aan de kant waar het front heen beweegt . Aan de achterzijde van de depressie stroomt koude, van de noordelijke oceaan of uit de poolstreken afkomstige lucht naar het zuiden (blauwe pijl). De voorste begrenzing van de koude lucht is het koufront; het wordt op de weerkaart weergegeven in blauw en met opgevulde driehoekjes aan de kant waar het front heen beweegt. (, figuur 18). Doordat de depressies op deze manier in de atmosfeer roeren, worden de temperatuurverschillen tussen noord en zuid verkleind.

18. Achter een koufront stroomt koude lucht over het aardoppervlak uit. Het koufront vormt de voorste begrenzing van de koude lucht. (groter)	19. Fronten, de grenzen tussen de warme en de koude lucht, staan niet loodrecht op het aardoppervlak, maar verlopen schuin. (groter).	20. Warme lucht is lichter dan koude lucht en komt daardoor meestal boven de koude lucht terecht. De koudere, zwaardeere lucht wrikt zich onder de lichtere, warmere lucht. (groter)

Fronten
De grenzen tussen de warme en de koude lucht staan niet loodrecht op het aardoppervlak, maar verlopen schuin (figuur 19). Naast de draaiing van de aarde speelt hierbij een rol dat de warme lucht lichter is dan de koude (figuur 20) en de neiging heeft 'over de koude lucht heen te kruipen'. Tegelijkertijd wrikt de koudere lucht zich door zijn grotere gewicht onder de warme lucht.
In figuur 21 is de schuine stand van het koufront en het warmtefront ook weer terug te vinden. In de figuur is tevens de bij een frontale zone behorende bewolking en neerslag ingetekend.
Een koufront trekt doorgaans sneller dan een warmtefront (figuur 22). Waar het koufront het warmtefront heeft ingehaald, bevindt zich het occlusiefront; het wordt weergegeven in paars met beurtelings de symbolen van het warmtefront en het koufront. Ook occlusies gaan vergezeld van bewolking en neerslag. In de doorsnede (klik op het vierkantje rechts onder de tekst LOW in figuur 22) is dat goed te zien. Een occlusie doet zich meestal voor in het eindstadium van de levensloop van een depressie (vergelijk figuur 23).