Het onweersverhaal: bliksem en (ont)lading (deel 1)

Nu we het off-season terug zijn ingegaan en de zomer achter de rug is, is de tijd aangebroken om de blog terug te vullen met artikels over meteorologie. Het was op onweersvlak een interessante zomer waarbij het (on)nodige noodweer zich terug liet gelden in de vorm van wateroverlast, hagel- en windschade. Naast deze vormen van noodweer bestaat er nog een ander gevaar tijdens onweer. Een gevaar dat veel over het hoofd gezien wordt bij het benaderen van noodweer en onweersituaties: ene die zich volstrekt onaangekondigd en met de grootste willekeur aanmeldt.

We hebben het in dit artikel over bliksem: de vereiste die nodig is om van een onweersbui te kunnen spreken. Doorheen deze bespreking maken we een ferme ontdekkingsreis door de kennis van ontladingen en zullen we bekijken op welke manier een bui een transitie maakt van een gewone regenbui naar onweersbui, alsook welke processen er aan de basis liggen van het ladingsverschil, verantwoordelijk voor de onladingen zelf... Met andere woorden gaan we verder dan de "2 wolken botsen tegen elkaar en genereren statische elektriciteit"-simplificatie.

De bedoeling van dit artikel is de grenzen van de huidige kennis & research af te tasten hoe bliksem & diens interpretatie voor de forecaster, meteoroloog & chaser van dienst kan zijn. Om dit heer en meester te worden moeten we een aantal stappen terug gaan en beginnen bij de microphysica die in de wolk plaatsvindt, aangezien deze processen aan de basis liggen van het opwekken van een ladingsverschil, leidend tot de ontlading.

Als we aan ontladingen denken onderscheiden we eigenlijk 3 soorten, namelijk 

• IC of "intracloud", een ontlading in een onweerswolk
• CC of "cloud to cloud", een ontlading tussen 2 of meerdere onweerswolken en 
• CG of "cloud to ground", een ontlading tussen een onweerswolk en het aardoppervlak

De laatste is diegene die voor schade & slachtoffers kan zorgen bij onweersituaties, is diegene waar stormchasers het meest naar zoeken en is dan ook het hoofdonderwerp van dit artikel. Analoog aan eerdere besprekingen zullen we theoretische concepten van o.a. de elektrificatie & bliksem uiteenzetten, dewelke onze kennis van CG-ontladingen tot een anders niveau kunnen brengen.

Om dit te doen moeten we beginnen in het eerste deel bij een review van de microphysica doorheen de levenscyclyus van een geïsoleerde onweersbui en delven we naargelang deze meerdelige bespreking vordert dieper en dieper in op de aspecten, zodat we als chaser op een andere manier genieten van bliksem en vinden we een kader waarin we de ontlading die we zoeken kunnen plaatsen.

Hoe mooi het lichtspektakel van nachtelijke onweersbuien ook is... Schoonheid & pracht vind je niet enkel in de macroscopie: ook de manier hoe alles op microschaal werkt heeft zijn elegantie & finesse.

Wanneer vochtige lucht begint te stijgen of gelift wordt koelt het uiteindelijk af tot zijn dauwpunt en het luchtdeeltje verzadigt. Als resultaat worden er minuscuul kleine droplets gevormd wanneer de watermoleculen de transitie ondergaan van waterdamp naar de vloeibare toestand.

Dit proces noemt men condensatie.

We weten dat die minuscule droplets niet in pure lucht kunnen ontstaan. Deze droplets hebben een oppervlak nodig om op te condenseren zoals een zandkorreltje, klei en een rijke diversiteit aan andere aerosols. Zo een deeltje wordt een CCN of Cloud Condensation Nucleus genoemd. 

Die kleine droplets (condensatie rond een CCN) ondergaan dan collisies en mergers met andere om zo in omvang verder te groeien tot regendruppels. 

Het proces waarbij ze botsen en mergen tot een grotere droplet en uiteindelijk tot regendruppel wordt het "collision-coalescence" proces genoemd. Bij collision zien we "collisie, botsing" en coalescence betekent niet meer of minder dan samensmelten of mergen. Een typische droplet groeit door condensatie aan een CCN tot een straal van ongeveer 10µm en groeit zo door het collision-coalescence proces verder tot regendruppel.

Ook is het gekend dat droplets hoger dan de 0° grens nog niet direct nucleatie ondergaan, alhoewel deze droplets zich toch in de vriestemperaturen begeven. We noemen deze conditie "supergekoeld" en deze droplets dragen de naam "supercooled (of supergekoelde) droplets". Droplets beginnen te nucleëren vanaf een temperatuur van ongeveer -10° maar hebben net als het condensatieproces ook iets nodig waarop ze kunnen nucleëren,. Terug een type aerosol, nl een ijs-nucleus (ice-nucleus). Nucleatie is het proces waarbij een supergekoelde droplet rond (of op) een ijsnucleus transitioneert naar ijs.

In tegenstelling tot de aerosols waarop/waarrond condensatie plaatsvindt, zijn dit type aerosols in mindere mate aanwezig in de atmosfeer maar vanaf nucleatie plaatsvindt gebeurt het op 2 mogelijke manieren.

Een bevroren deeltje kan ofwel ingesloten zijn in de droplet en bij een temperatuur vanaf ongeveer -10° nucleëren ofwel komt een droplet in contact met een ijs-nucleus waardoor het onmiddellijk bevriest bij contact. Een ingesloten deeltje bevriest dus van binnen in de droplet naar buiten terwijl het bij de contact-case van buiten naar binnen bevriest, vertrekkend van de locatie waar de droplet contact maakt met de ijs-nucleus.

Wanneer vochtige lucht gelift wordt koelt het na de ontmoeting met diens dauwpunt uiteindelijk af tot zijn frostpoint of vriespunt waar het verzadigd wordt aan ijs. Ijskristallen vormen wanneer watermoleculen van waterdamp transitioneren naar een solide (ijs). Een proces wat depositie of "deposition" noemt.

Dit proces begint vanaf ongeveer -10° maar is het meest prominent bij nog lagere temperaturen. Deze ijskristallen zijn veelal hexagonaal van opmaak alhoewel andere vormen ook voorkomen. Hieronder ziet u het depositieproces die dit type ijskristallen ondergaan met enkele voorbeelden van Wallace & Hobbs (1977).

Wanneer een cumulus begint te ontwikkelen wil dat zeggen dat er vochtige lucht is beginnen stijgen. m.a.w. Op éénzelfde punt in de updraft wordt van aan de onderkant vochtigheid toegevoegd. Het vocht dat aanwezig is in de cumulus noemen we de CLW-hoeveelheid of kortom CLW, afkomstig van Cloud Liquid Water. In het maximum van de updraft vinden we de grootste CLW met een lagere CLW aan de buitenkant. Logisch ook want daar vinden we het maximum aan verticale vocht-advectie.

Koppelen we de voornoemde processen aan elkaar en linken we dit aan het prille begin van een onweersbui: de "shallow cumulus stage" bekomen we onderstaand resultaat waar we schematisch kunnen opmaken waar alles zich situeert. We maken hierbij een onderscheid tussen de CLW die zich onder de 0° grens bevindt en dus warmer is en de supergekoelde CLW die zich in de vriestemperaturen bevindt.

Mits voldoende onstabiliteit is het mogelijk dat de cumulus verder groeit tot een bui. Dit stadium van ontwikkeling noemt men de "towering cumulus stage". Hoe meer waterdamp er condenseert in de wolk hoe meer latente warmte wordt vrijgelaten waardoor de sterkte van de updraft wordt verhoogd. Terwijl in de "shallow cumulus stage" de updraftsnelheden rond de 5 tot 10 m/s bedragen vinden we nu in de "towering cumulus stage" updraftmaxima van 10 tot 15 m/s.

Hierdoor worden dus ook de interne botsingen in de wolk gestimuleerd en krijgt het collision-coalescence proces een boost door een steeds sterker toename van moisture en interne chaotische circulaties in de opbollende cumulus. Daarnaast brengt de updraft ook de kleinere (lichtere) ijsdeeltjes steeds hoger in de atmosfeer. Als de cumulus nog verder blijft groeien penetreert het updraft-maximum met de hoge CLW doorheen de vriestemperaturen in de superkoele regio en krijgen we in deze vriestemperaturen ook een hoge CLW.

Omwille van de toegevoegde moisture van onder naar boven, het groter wordend aantal collisies, en de steeds koelere temperaturen waarin onze processen zich bevinden groeien hydrometeoren gemakkelijk uit tot objecten die te zwaar zijn om nog door de updraft gedragen te kunnen worden. Ze vallen daardoor naar beneden met een valsnelheid, bepaald door het gewicht en de drag force die het ondervindt tijdens zijn val doorheen de updraft. Het is op dit moment dat de downdraft dus geïnitieerd wordt.

Grote en kleine hydrometeoren botsen onderling frequent door hun verschil in valsnelheid. Wanneer grote ijskristallen botsen met kleine supergekoelde droplets nucleëren ze onmiddellijk bij contact en hechten ze zich aan elkaar want ijs is natuurlijk op zichzelf een ijs-nucleus. Dit gebeuren is een proces dat rijm of 'riming" genoemd wordt.

Hoeveel rijm er plaatsvindt hangt af van de concentratie van supergekoelde droplets. Logisch ook want hoe meer vocht er aanwezig is, hoe meer condensatie, en dus hoe meer droplets zich aan een ijskristal kunnen hechten. In convectieve updrafts rijmen ijskristallen zo fel dat hun oorspronkelijke vorm wordt gemaskeerd. We spreken over hier over de vorming van graupel: onze gekende korrelhagel.

Iets later zullen we zien dat graupel een drijvende factor is in de opwekking van het ladingsverschil verantwoordelijk voor de eerste bliksem van de bui. Dit moment is eigenlijk een sleutelpunt in diens ontwikkeling, wanneer we in de regio van -10, -20°C een radar echo zien verschijnen sterker dan 35 dBZ. Die radar echo hebben we te danken aan de grote hoeveelheid aan graupel die gevormd wordt in het rijmproces, korrelhagel van enkele mm in diameter.

Ook kunnen we op radar de eerste tekenen beginnen zien of de bui nog steeds verder ontwikkelt door de stormtop-divergentie te bekijken via een CAPPI product (een radarimage "gecapped" op een vaste hoogte) of gewoon gebruik maken van een gepaste scanhoek "of elevation angle". Hoe sterker de storm-top divergentie hoe sterker de updraft is, dus is een divergentiecouplet op de top van onze "towering cumulus" een indicator dat die gemakkelijk nog kan doorzetten en verder groeien naar het volwassen stadium.

Op satelliet verraadt dit zich via de steeds koeler wordende cloudtop, gebruik makend van de cloud-top of helderheidstemperaturen op advanced satellite-imagary.

Tot op dit moment, waar we gearriveerd zijn bij het volwassen stadium, de "mature comulonimbus stage" zijn heus nog niet alle aanwezige droplets genucleëerd. Er is nog een rijke hoeveelheid aan supergekoelde waterdruppels aanwezig. Wanneer door de heviger wordende updraft deze supergekoelde droplets nog hoger worden gebracht waar de temperatuur -40°C of lager is beginnen die spontaan op zichzelf te nucleëren: spontane nucleatie of "spontanious nucleation".

Op die temperatuur is er geen ijs-nucleus meer nodig om ijs kristallen te maken. Vandaar ook dat we vanaf een temperatuur lager dan -40° enkel ijskristallen in de cumulonimbus terug vinden. Hier gelden tevens dezelfde principes als daarnet. Tekenen van een gelijke, versterkende of afzwakkende divergentie-couplet op vb CAPPI 8km bieden een indicatie van respectievelijk een stabiele updraft, een updraft die sterker wordt of een onvermijdelijke transitie naar de laatste fase in onze buiencyclus.

De downdraft en neerslag zijn op dit moment reeds van de partij, alsook eventuele CG-ontladingen. Alhoewel alles op dit moment een draaiende machine lijkt te presenteren bereiken we stilaan de piek in bliksemactiviteit, gevolgd door een afbraak van de updraft-intensiteit en dus een afname in verticaal moisture-transport.

Vanaf de updraft in intensiteit vermindert wordt de toevoer van moisture in de cumulonimbus onweerswolk verminderd en uiteindelijk gestopt waardoor er zich een afbraak voordoet in de intensiteit van het collision-coalescence proces en we krijgen een stop van de verdere aanmaak van graupel. De vermindering & uiteindelijke stop van de updraft promoot minder drag-force met de neervallende droplets & ijsdeeltjes, waardoor de donwdraft versterkt wordt en het aantal aanwezige hydrometeoren in de onweerswolk vermindert. Ze vallen er gewoonweg uit als neerslag.

Aangezien het aantal hydrometeoren aan een sneller tempo vermindert dan de toevoer van verse moisture & gunstige CCN's komen we hierdoor toe aan het laatste stadium in de buiencyclus en kan onze review van de microphysica & cloud-dynamics worden afgerond.

We zien dat de basis van de bui erodeert door de verdere afname van hydrometeoren en dat naarmate het dissipatiestadium ("dissipating cumulus stage")verder evolueert, de downdraft verzwakt met een afname aan neerslag. Ontladingen vinden we op dat moment enkel nog terug in de upper levels van de onweersbui.

Om de lengte van dit artikel in te korten sluit ik hierbij het eerste deel in dit meerluik af. Een verdere verdieping berust geheel op processen die in dit deel beschreven staan. In het volgende deel (of de volgende delen) bekijken we de elektrificatie van onweersbuien en gaan we over tot de ladingsverdeling en hoe die tot stand komt. Dan evolueren we verder tot de ladingsverdeling in een multicel of MCS en maken we een onderscheid in de positieve & negatieve ontladingen.

Eénmaal dat gedaan is kunnen we overgaan tot de interpretatie van de polariteit van zowel de positieve als negatieve ontladingen en leren we nieuwe topics zoals PSD & NSD-buien alsook wat die voor de forecaster en/of stormchaser kunnen inhouden.

"Eerst kruipen vooraleer we beginnen te lopen".

(illustraties: eigendom van Dzengiz Tafa - Fastowarn, tenzij anders vermeld. Bij gebruik: verwijzen naar dit artikel en auteur)