In de jaren 1920 hadden wetenschappers een notie van de algemene ladingsverdeling van onweersbuien: de normale dipool (+ & -). Europese wetenschappers hebben monitoren geplaatst die het magnetisch veld detecteren en zijn tot de dipool structuur gekomen door de polariteit te meten bij passage van onweersbuien.
Doorheen de periode vanaf 1940 vonden onderzoekers een correlatie tussen de initiële elektrificatie en de vorming van graupel. In de jaren 1950 hebben wetenschappers, gebruik makend van wolkenkamers in het lab, kunnen aantonen dat er inderdaad elektrische lading wordt uitgewisseld en dat graupel daarin de hoofdrol speelt.
Later werk van Takahashi et al in 1978 heeft de uiteindelijke resultaten schematisch opgelijst waar we 3 hoofdzakelijke mogelijkheden onderscheiden hoe de uitwisseling van lading te werk gaat.
Op z'n minst een interessant experiment! Je hebt een "wolkenkamer" waarin zich een roterende staaf bevindt. In die kamer zweven er supergekoelde droplets en ijskristallen door elkaar. Terwijl die staaf roteert verzamelt het rijm. Die rijm op de roterende staaf wisselt met de botsende ijskristallen lading uit. Een ladingsuitwisseling die zowel variëert in polariteit als fysisch mechanisme dat er achter schuilt.
In de linker kolom zien we de eerste manier waarbij een ijskristal in een hoge CLW (cloud liquid water) tegen de koele rijm botst en hierdoor enkele van de fijne vertakkingen van rijmkristalletjes afbreekt. Hierdoor krijgt de rijm een positieve lading en dragen de afgebroken rijm"takjes" de negatieve lading.
De tweede is deze waarbij de rijm iets warmer is. Hier zien we een ijskristal dat tegen de rijm botst en wegens de zachtere natuur van de rijm (vochtiger & warmer) scheurtjes in het rijm-oppervlak maakt. De rijm krijgt hierdoor een negatieve lading en het ijskristal een positieve.
De derde manier is deze waarbij een ijskristal botst tegen koude rijm, die gecoat is met een iets warmer filament. Hierdoor krijgt het ijskristal de negatieve lading en de rijm de positieve en de ijskristallen nemen als het ware een portie van het warm filament van de rijm af en scheuren wat van de warme coating op de rijm weg.
Trekken we deze analogie door naar onze onweersbui zien we dat tijdens de graupel-ijs collisies de rijm (graupel) negatief of positief wordt geladen, afhankelijk van de CLW en de temperatuur waarin het proces zich voordoet. De graupel krijgt een negatieve lading in een hoge CLW-omgeving wanneer de temperatuur -10°C of minder is. Bij temperaturen rond het vriespunt geeft een grupel-ijs collisie een positieve lading aan de rijm of de graupel.
Het exacte proces verantwoordelijk voor de transfer van lading is tot op heden nog een open vraagstuk in de meteorologie.
Wanneer we de processen van het voorgaande deel en de net behandelde splitsing van lading samenbrengen doorheen de volledige levenscyclus van de cumulonimbus bekomen we de volwaardige elektrificatie verantwoordelijk voor bliksem.
In de "shallow cumulus stage vinden we zoals we reeds hebben gezien nog geen graupel. We gaan terug uit van de veronderstelling dat dit een single cel onweersbui is en geen onderdeel van een squall-line of MCS (dat komt later aan bod). Ook passen we dit toe op een onweersbui in het warme seizoen met dus een hoge CLW.
Gaan we over naar het tweede stadium: de "towering cumulus stage" zien we reeds verandering. Initiële elektrificatie begint in de mid levels bij het vormen van graupel (depositie & rijm). De elektrificatie is het resultaat van miljoenen collisies tussen graupel en ijskristallen, waarbij per collisie een kleine hoeveelheid lading wordt getransfereerd..
Omdat de graupel groeit en dus zwaarder wordt blijft het iets lager in de mid levels door de updraft omhoog gehouden. De lichtere ijskristallen worden door de udpraft verder opwaarts getransporteerd waardoor er een hoge densiteit negatieve lading in de mid levels blijft terwijl de top van de bui positief geladen wordt door de advectie van positief geladen deeltjes in opwaartse richting.
We noemen dit in de meteorologie positieve ladingsacvectie of "positive charge-advection". Hoe langer dit proces duurt hoe sterker het ladingsverschil zal zijn tussen de midlevels en de upper levels. De natuur komt onder stress te staan en moet ingrijpen. Verschillen in lading moet geliquideerd worden. En om dat zo snel mogelijk te doen heeft moeder natuur een eenvoudige oplossing...
En... Plets! een eerste ontlading kan eventueel ontspringen onder de vorm van IC (intracloud).
Binnen dit aan aanzienlijke tijd bekijken we de CG ontladingen maar eerst moeten we met onze opgedane kennis omtrent de microfysica & ladingsplitsing nog de "dissipating cumulus stage" benaderen. Hier vinden we geen updraft meer en is zoals reeds aangehaald in deel 1, de verticale toevoer van vocht gestopt. De substantie om verder aan rijmen te doen wordt dus niet verder in de wolk meer geïntroduceerd.
Hierdoor krijgen we een vermindering van graupel omdat die als neerslag uit de uitstervende updraft valt. Met de vermindering van graupwel wordt de negatieve lading in de mid-levels vermindert waardoor het ladingsverschil ook kleiner en kleiner wordt.
Het resultaat is dat we een vermindering zien in bliksemintensiteit en dat de buienbasis begint re eroderen. Er doet zich daarentegen nog steeds positieve ladingsadvectie voor en de positieve deeltjes zitten nu helemaal bovenaan in het aambeeld.
Om samen te vatten herhalen we dat de initiële elektrificatie gebeurt rond de -10°C tot -20°C en dat de 2 hydrometeoren hiervoor verantwoordelijk graupel & ijskristallen zijn. Door collisies tussen de 2 types hydrometeoren in een hoge CLW bij temperaturen rond de -15°C is de resulterende lading van de 2 respectievelijk negatief voor graupel en positief voor de ijskristallen.
Om even terug te gaan naar de afbeelding, gebaseerd op het onderzoek van Takahashi, is net dàt ook de reden waarom ik een kader heb getrokken rond de collisie met de "warme" rijm. Met "warm" doelen we op de supergekoelde condities (vandaar de quotes).
Eens elektrificatie is gebeurd in de onweersbui moeten er andere dingen gebeuren eer we CG-ontladingen kunnen zien. Om dus tot onze hoofd-topic over te gaan moeten we eerst nog enkele zaken bekijken, namelijk de opgewekte lading op het aardoppervlak en bekijken we hoe en waar de ontlading precies begint.
De volgende discussie toont terug de 4 stadia in de levenscyclus van de onweersbui en illustreert de locatie, polariteit en hoeveelheid lading die op het aardoppervlak wordt opgewekt. Daarbij maken we gebruik van deze fysische principes
- de aarde en waterobjecten zijn elektrische geleiders
- op het oppervlak van geleiders bewegen negatieve en positieve ladingen onmiddellijk als antwoord op de elektrische krachten
- tegengestelde ladingen ondergaan een aantrekkingskracht en gelijke ladingen stoten af
- de kracht van de aantrekking of repulsie is een functie van de afstand waarover het ladingsverschil plaatsvindt en de magnitude van het ladingsverschil
In de "shallow cumulus stage" vinden we geen graupel, dus ook geen graupel-ijs collisies: resulterend in geen lading in de wolk en dus geen opwekking van lading op het aardoppervlak. In de "towering cumulus stage" vinden we door de vorming van negatief geladen graupel in de midlevels en positieve lading aan het oppervlak.
Beweegt de cumulonimbus onweerswolk van punt a naar punt b zal de positieve lading aan het oppervlak als een schaduw de translatie van de cumulonimbus meevolgen. Wanneer we verder gaan naar het volwassen stadium ("mature cumulonimbus stage") vinden we door de aanmaak van alsmaar meer graupel een steeds verhoogde positieve lading aan het oppervlak als antwoord op de dominant wordende negatieve lading door grapelvorming & depositie rond de -10°C tot -20°C.
De densiteit van de graupel en dus ook de hoeveelheid negatieve lading is veel groter dan de positieve lading rond de "melting layer", dus vinden we nog steeds positieve lading aan het oppervlak. Ook vinden we onder het aambeeld reeds aangroei van negatieve lading aan het oppervlak: dit door de positieve ladingsadvectie van de lichtere ijskristallen verticaal naar het aambeeld.
De precieze oorzaak van de kleine positieve lading rond de 0°C grens is tot op heden ook nog een onbekend vraagstuk, maar onderzoek wijst aan dat die daar daadwerkelijk aanwezig is.
De precieze oorzaak van de kleine positieve lading rond de 0°C grens is tot op heden ook nog een onbekend vraagstuk, maar onderzoek wijst aan dat die daar daadwerkelijk aanwezig is.
In de "dissipating cumulonimbus stage" vinden we zoals gezeg deen sterke vermindering van graupel omdat de updraft afzwakt en verdwijnt. Daardoor zien we ook een ferme vermindering in de densiteit van negatieve lading in de midlevels want de aanwezige graupel valt als neerslag uit de cumulonimbus, resulterend in een lagere positieve lading onder de neerslagkern. Op dit moment zien we op het aardoppervlak de grootste negatieve lading opgewekt onder het aambeeld, daar het aambeeld verheven zit van positief geladen ijskristallen.
Nu... Wanneer de cumulonimbus van de "towering cumulus stage" naar de "mature cumulus stage" trekt is het moment aangebroken dat we de beste kans hebben op onze eerste negatieve CG's. Het stappenproces is als volgt...
Nu... Wanneer de cumulonimbus van de "towering cumulus stage" naar de "mature cumulus stage" trekt is het moment aangebroken dat we de beste kans hebben op onze eerste negatieve CG's. Het stappenproces is als volgt...
Onthoud dat we in de mid levels negatieve lading hebben, afkomstig van de vorming van graupel en positieve lading daarboven, afkomstig van de positief geladen ijskristallen. Ijskristallen zijn zoals aangehaald lichter dus worden deze naar boven gebracht door de updraft, terwijl de zwaardere graupel naar een lager niveau in de cumulonimbus onweerswolk valt en daar de hoge densiteit aan negatieve lading verder blijft aandikken zolang er materiaal (moisture, CCN's & ijs nucleae) verticaal de wolk intrekt richting de supergekoelde regio.
Tussen de dominante negatieve lading van de graupel/rijm en de kleine positieve lading rond het vriesniveau (net onder de 0°C grens) ontstaat er een magnetisch veld-maximum. Het is daar dat de ontlading begint en niet in het midden van de negatieve lading zoals veel wordt gedacht.
Uit het elektrisch veld-maximum vertrekt zowel een positieve als een negatieve "leider" zoals dat wordt genoemd. De positieve leider vertrekt van het elektrisch veld-maximum naar de negatieve lading van de graupel omhoog en de negatieve vertrekt richting het aardoppervlak. Onderzoek hint naar de rol van de positieve lading van de "melting-layer" bij dit proces, die verantwoordelijk kan zijn voor de eerste prille aantrekkingskracht naar beneden.
Een stap verder zien we dat de positieve leider verder omhoog klimt tot het de positieve lading tegen komt van de ijskristallen in het bovenste deel van de cumulonimbus.
Gelijke lading stoot af, waardoor de positieve leider niet meer verder kan klimmen. De negatieve leider reist daarentegen wel verder naar beneden, dit om een tweevoudige reden. De positieve lading die wordt opgewekt aan het oppervlak (als antwoord op de dominant negatieve graupel in de wolk) "lokt" de negatieve leider als het ware naar beneden. Ten tweede induceert de negatieve leider tijdens zijn reis naar het oppervlak aan diens uiteinde een positieve lading onder zich waardoor die in stapjes dieper en dieper kan propageren. Vandaar ook de naam "step-leader".
Dus zowel de positieve lading van het aardoppervlak lokt de negatieve stepleader naar beneden alsook de positieve lading net onder het uiteinde van de dalende negatieve stepleader.
Eénmaal de stepleader de grond heeft aangeraakt zien we de wolk oplichten in de midlevels en hebben we de "return stroke". Het is deze die de bliksem visueel zichtbaar maakt en verantwoordelijk is voor de echte donderslag. De leaders tasten als het ware de beste weg af richting het aardoppervlak en de "return-stroke" is de volwaardige bliksemontlading zelf die een weg aflegt die door de step-leaders wordt bepaald.
Aangezien de dominante lading verantwoordelijk voor deze ontlading negatief is, is deze CG dan ook een negatieve CG.
In tegenstelling tot de negatieve CG vinden we de positieve CG-ontlading. Deze komt er omwille van dezelfde reden als de negatieve. In die zin dat er een elektrisch veld-maximum gegenereerd wordt tussen de positieve geladen ijsdeeltjes in het aambeeld (hoger dan -40°C) en de negatieve lading die wordt opgewekt aan de onderkant van het aambeeld waar de ijsdeeltjes als precip eruit beginnen vallen.
Hier vindt hetzelfde proces plaats zoals de negatieve CG. Eerst een stepleader die de weg plavijdt voor de uiteindelijke "return-stroke". Het enige verschil is de polariteit van de ontlading: positief bovenaan & negatief onderaan i.p.v. andersom bij de negatieve CG- case.
We zijn bijna rond in onze reis doorheen de microfysica en cloud-dynamics van onweersbuien. Nu we het ontladingsproces en de processen voor ontladingen hebben bestudeerd op een geïsoleerde onweersbui is het nu tijd om te kijken hoe ontladingen (meerbepaald CG's) zich gedragen wanneer ons onweer nu geen single geïsoleerde bui is, maar een multicel of MCS.
Hieronder ziet u een afbeelding dewelke ik heb gebaseerd op het werk van Houze et al (1989 - BAMS). Het toont een dwarsdoorsnede van een MCS met de 3 gekende regio's: het voorwaarts aambeeld, de convectieve en de stratiforme regio. Het MCS beweegt in deze tekening van links naar rechts.
In de convectieve regio hebben we de verhoogde dBZ waarden, getoond door de rode contouren, met de nieuwste bui zichtbaar in het cirkeltje met de max dBZ in mid-levels (voor de hoofdkern uit). Het omcirkelde gedeelte in de stratiforme regio stelt de verhooge dBZ waarden voor, geassociëerd met de "melting layer". Op radar zie je dit als een band van verhoogde reflectiviteit: vandaar de naam "brightband".
Convectieve regio's van MCS's zijn gekarakteriseerd door sterke verticale beweging: 10m/s of hoger en een hoge CLW. De vorming van ijs is door depositie en rijm, wat hetzelfde dominante proces is bij de geïsoleerde onweersbui waar we een grote hoeveelheid graupel verwachten.
De stratiforme regio daarentegen is een ander verhaal. Stratiforme regio's verschillen in die zin dat de verticale bewegingen veel zwakker zijn: ongeveer 0,1m/s. Waar we de sterkste updraft vinden, hebben we zoals we gezien hebben ook de grootste CLW omdat daar de grootste verticale moisture-transport plaatsvindt. Met andere woorden vinden we in de stratiforme regio een lage CLW.
In de stratiforme regio wordt ook ijs geadvecteerd, afkomstig van de convectieve regio en dat ijs groeit in de stratiforme regio door depositie en aggregatie verder. Aggregatie is de term wanneer ijskristallen tegen elkaar botsen en aan elkaar beginnen kleven. Onthoud dat we door de lage CLW amper graupel hebben in het stratiforme gedeelte dus het rijmproces is hier secundair.
Voorbeelden van geaggregeerde ijskristallen en depositie vind je hierboven: wederom materiaal van Wallace & Hobbs (1977). Ze tonen de klevige natuur van ijskristalletjes, die gevormd worden door depositie. Ze blijven zo aan elkaar plakken tot sneeuw-achtige structuren (foto's a tot c). Hoe de afzonderlijke ijskristalletjes eruit zien zie je ter herhaling nog es vermeld in de onderste reeks.
In een lage CLW, die dominant is in een stratiforme updraft, geeft de collisie tussen gerijmde aggregaten en ijskristallen een positieve lading aan het grootste aggregaat en een negatieve aan het kleiner ijskristal. Met andere woorden biedt de positieve lading van aggregaten een geïnverteerde ladingstructuur dan diegene in de geïsoleerde onweersbui & convectieve regio van een MCS of multicel.
Ook belangrijk te onthouden is dat er in een lage CLW lagere lading wordt doorgegeven dan bij een hoge CLW.
Vatten we hieronder samen vinden we in de convectieve regio van een MCS of multicel dezelfde processen terug als in de geïsoleerde onweersbui. Een hoge hoeveelheid graupel en een hoge CLW met daardoor een dominant negatieve lading in de mid-levels en de minder zware positief geladen deeltjes die tot in het aambeeld door de updraft geadvecteerd wordt. Door de dominant negatieve lading in de mid-levels wordt op het aardoppervlak een positieve lading opgewekt.
Door stormtop-divergentie worden die positieve deeltjes in het aambeeld naar achter gebracht alsook naar voor. Het voorwaartse aambeeld vertoont ook dezelfde analogie met de geïsoleerde onweersbui, in die zin dat we een positieve lading hebben en negatieve lading aan het aardoppervlak.
Het grote verschil zit hem in het stratiform gedeelte waar we advectie hebben van ijsdeeltjes uit de convectieve regio met de vorming van gerijmde aggregaten.
Onthoud dat zulke collisies een positieve lading geven aan de grotere aggregaten en een negatieve aan het lichtere ijskristal. Om die reden vinden we die negatief geladen deeltjes iets hoger: ze zijn lichter dan de zwaardere positief geladen aggregaten.
De negatieve lading die geassociëerd wordt met de "melting-layer" is net zoals bij de geïsoleerde onweersbui nog een openstaand vraagstuk. Vermoedelijk zijn het daarentegen wel dezelfde processen.
Omwille van de ladingstructuur vinden we dus vooral negatieve CG's in de convectieve regio, waar de flashrate ook het hoogst is. De positieve CG's hebben het voor het zeggen in het voorwaarts aambeeld en de stratiforme regio aangezien de dominante lading daar positief is, maar moeten het stellen met een lagere flashrate.
Waarom dat verschil in flashrate? De convectieve regio zit in de midlevels verheven van de graupel. De densiteit is daar veel groter en je hebt in die regio door de convectieve updraft een blijvende toevoer van materiaal zoals CCN's en ijsnucleae waarop de processen zich kunnen voortzetten (hoge CLW). De stratiforme regio wordt gedomineerd door een lage CLW en hoe lager de CLW hoe minder lading er per collisie wordt opgewekt.
In het volgende deel behandelen we de bespreking rond CG's verder en bekijken we hoe je gebruik makend van modeldata als chaser of meteoroloog op voorhand kunt weten of een onweer veel CG's zal bevatten of niet, leren we over PSD & NSD buien en wat die ons kunnen zeggen en bieden we verklaringen hoe de bliksem zich gedraagt in een supercel.
(illustraties: eigendom van Dzengiz Tafa - Fastowarn, tenzij anders vermeld. Bij gebruik: verwijzen naar dit artikel en auteur)
Geen opmerkingen:
Een reactie posten