Het onweersverhaal: bliksem en (ont)lading (deel 3)

Om in grote lijnen uit te stippelen wat we in deel 3 van het onweersverhaal rond bliksem en (ont)lading behandelen, bekijken we hier hoe we CG bliksemdata kunnen gebruiken om buien te benaderen die "anders" zijn dan de typische onweersbuien in het warme seizoen.

We doen dit door eerst een onderscheid te maken tussen typische en "andere" buien en dan de theorie van elektrificatie, ladingsdistributie & CG bliksemproductie te introduceren. Door de loop van dit deel bekijken we onderzoeksresultaten die de consistentie tussen de theorie & observatie aan de tand voelt.

Belangrijk te weten is dat de theorie die hier behandelt wordt, minder verfijnd is dan deze eerder behandeld. Al wat nu aan bod kom ligt op of net aan de grens van de huidige onderzoeken.

Foto van Mieke Degevy

Ook gebruiken we de kennis die we hebben opgedaan in de vorige 2 delen. Elke topic die komt berust volledig op de reeds verklaarde processen. Tot nu toe zou u, indien deel 1 en deel 2 werden gelezen, vertrouwd moeten zijn met volgende begrippen en concepten

• graupel-ijs collisies
• ijs-ijs collisies
• cloud liquid water (CLW)
• opwekken & polarisatie van lading
• positieve ladingsadvectie
• geïnduceerde lading op het oppervlak
• de locatie en frequentie van negatieve en positieve CG's

Zoniet verwijs ik u graag naar deel 1 & deel 2.

We zullen de reis verder zetten en de 2 hoofdzakelijke parameters voor CG-ontladingen bespreken alsook de factoren die de 2 parameters moduleren. We bekijken hoe de CG flashrate (FR) & "procent +CG's" (%P) gedefiniëerd zijn en hoe we observaties van deze aspecten kunnen toepassen in de meteorologie. Daarna gaan we over tot "Negative Strike Dominance" (NSD) & "Positive Strike Dominance" (PSD).

Ook zoeken we naar de verschillen tussen CG ontladingen in het warme en koude seizoen, de factoren die in het spel zitten en bestuderen we waarom hevige NSD-buien regelmatig ongewoon hoge en variabele flashrates (FR) hebben. Daarnaast bekijken we hevige PSD buien en brengen we hypotheses aan bod die deze buien kunnen verklaren.

Alsof dat niet genoeg is bekijken we manieren hoe we als chaser, op zoek naar CG's, lang op voorhand kunnen weten of onze onweersituatie CG ontladingen zal produceren of niet. Een hele boterham dus... Ik zal mijn best doen om alles in 1 deel te stoppen, maar weet echt niet of dit zal lukken. Godja, zoniet doe ik wel een nummer 4...

De "flashrate" van een onweersbui wordt gedefiniëerd op verschillende manieren. Je hebt de CG-"flash count", wat in een bepaalde tijdspanne gewoon het aantal CG's is over een gebied, vb: een onweersituatie is over de Benelux getrokken en je hebt een totaal van 9846 ontladingen. 

Daarnaast heb je de CG-"flash rate" en dat is het aantal CG's per tijd over een specifieke regio. De eenheid is iets zoals ontladingen per minuut of ontladingen per om het even welke tijdspanne: 1min, 5min, 15 min... Ook heb je de ontladingsdensiteit of de "flash density" en is het aantal CG's per tijd & gebied, vb: ontladingen per km² per min

Het percentage van positieve en negatieve CG's wordt gedefiniëerd als 

\[\% P = \frac{{100 \times aantalPositieveCG's}}{{totaalAantalCG's}}\]
\[\% N = \frac{{100 \times aantalNegatieveCG's}}{{totaalAantalCG's}}\]

De "flashrate" van negatieve of positieve CG's hangt af van 3 factoren: ladingsdensiteit, afstand tussen lading & het oppervlak en de "afscherming" door een tegengestelde lading. De "flashrate" van negatieve CG's verhoogt als de densiteit van de dominante negatieve lading verhoogt, de afstand tussen de negatieve lading en het oppervlak verkleint en de afscherming van positieve lading verkleint of verdwijnt (geen nood: die "afscherming" wordt iets verder behandeld waar het van toepassing is).

Onderstaande afbeelding is een tijdreeks van flashrates over 15 min van CG ontladingen in Florida over de periode juni - augustus van 1995 tot 1999. Op de x-as zien we de lokale tijd. De zwarte en rode lijn is de relatieve frequentie van respectievelijk negatieve & positieve CG's en de blauwe lijn is de procent-positieve (%P). Wat we zien is dat de relatieve frequentie van CG's (positief en negatief) begint te stijgen rond de middag wanneer onweersbuien ontstaan. 

Doorheen de "event", vanaf de convectieve initiatie, zien we dat de relatieve frequentie van de negatieve CG's hoger is dan de positieve. De reden hiertoe is dat de buien aan het vormen zijn, en groeien tot hun piekactiviteit op het warmste moment van de dag, dus: gedomineerd door graupel en rijm omdat de updrafts van de buien dan het sterkst zijn. Onthoud: een gezonde updraft staat garant voor verticaal moisture-transport en daardoor een toevoer van materiaal om het rijmproces te stimuleren (hoge CLW).

Na 17u begint de activiteit van de onweersbuien te zakken. Geen verrassing ook, want de temperatuur begint te dalen waardoor de onstabiliteit verdwijnt. Met het verdwijnen van de updraft verdwijnt dus ook de verticale moisture transport, vermindert de aanmaak van graupel en daardoor ook de densiteit van de negatieve lading in mid-levels. We zitten hier nu in de "dissipating cumulus stage" en de lichtere ijsdeeltjes zitten in het aambeeld.

Wat interessant is aan de grafiek is dat vanaf het moment dat de activiteit afneemt er een transitie gebeurt. Vanaf dit punt zijn niet de negatieve CG's het meest frequent maar komen positieve CG's meer voor. Dat reflecteert zich trouwens ook in de dalende %P lijn die naar een minimum zakt bij convectieve initiatie en terug begint te klimmen vanaf de algemene onweersactiviteit door de dagelijkse gang afneemt.

Zo komen we tot 2 nieuwe begrippen: NSD-buien ("negative strike dominated") en PSD-buien ("positive strike dominated)" waarbij een NSD-bui ene is waar de "procent negatieve CG's" (%N) groter is dan 50% en PSD-buien diegene zijn waar de "procent positieve CG's" (%P) groter is dan 50%... dit voor een significant deel in het leven van de bui.
\[NSD = \% N > 50\% \]
\[PSD = \% P > 50\% \]

De typische onweersbui in het warme seizoen is NSD doorheen zijn levenscyclus, behalve bij hun dissipatie waar ze, afhankelijk van hoeveel positieve ijskristallen er effectief in het aambeeld zitten, mogelijks transitioneren naar PSD. 

In de meeste MCS situaties in het warme seizoen, is de convectieve regio NSD terwijl het voorwaarts aambeeld & de stratiforme regio zoals we gezien hebben PSD is. Buien die gedomineerd worden door positieve CG's tijdens een significant deel van de volwassen fase ("mature cumulus stage") noemt men PSD-buien, ook al zijn ze NSD voor een deel van hun bestaan.

Onderstaande afbeelding toont uit hetzelfde onderzoek van Zajac & Rutledge (2001) het maandelijks gemiddelde aan CG's over de CONUS: CONtinental United States, waar we direct de ferme groei in aantal CG's zien wanneer we van april in het warme seizoen terecht komen. Op zich niet verwonderlijk, maar het ding wat interessant is aan de grafiek is de rode lijn: de %P.

De %P lijn zakt tot een minimum vanaf april in het warme seizoen en zet dan de klim terug verder in het koude seizoen, waar de "procent positieve" CG's tot boven de 15% klimmen. Met andere woorden leiden we hieruit af dat de hoeveelheid CG's, en meerbepaald de positieve, in het koude seizoen en het warme sterk verschillen.

Er zijn 3 factoren die aan de basis kunnen liggen van het verschil tussen het warme en koude seizoen.

In het koude seizoen zijn de buientoppen lager, dus de afstand tussen de positief geladen deeltjes in het aambeeld en de negatieve lading die wordt opgewekt op het oppervlak is kleiner waardoor een positieve ontlading gemakkelijker plaatst vindt. Daarnaast is dauwpunt-temperatuur lager, dus is er minder moisture beschikbaar met een lagere CLW als resultaat. En we weten dat de ladingstructuur in een lage CLW geïnverteerd is.

Ook hebben we meer windschering in het koude seizoen als in de zomer. Hierdoor zien we dat een aambeeld van een cumulonimbus verder voor de bui uit wordt uitgesmeerd.... wat ons brengt tot de "afscherming" van lading.

Wanneer de horizontale afstand tussen de dominant negatieve lading en de positieve lading niet groot genoeg is fungeert de dominant negatieve lading in de mid-levels soms als een "schild" waardoor de positieve ontlading niet naar het oppervlak trekt, maar in de buientop blijft (IC ontlading tussen de negatieve lading in mid-levels & positieve lading in de buientop). 

Als de horizontale afstand groter wordt, verkleint de kans dat de dominant negatieve lading in de mid-levels als "schild" fungeert waardoor positieve CG's gemakkelijker naar het oppervlak trekken.

CG's in het koude & warme seizoen vertonen dus grote gelijkenissen. Negatieve CG's zijn gekoppeld aan convectieve neerslag & de convectieve regio van een MCS terwijl de positieve gelinkt zijn aan ontladingen uit het aambeeld & de stratiforme regio. Het grote verschil zit hem in het lager aantal CG ontladingen. De lagere onstabiliteit resulteert in een lagere upraft-intensiteit, en in het koude seizoen heb je zoiezo een lagere CLW want de dauwpunten zijn lager. Het verschil onderscheidt zich ook in de geaccentueerde "procent-positieve" (%P) die in het koude seizoen regelmatig boven de 15% uitsteekt.

Tot zover de vergelijking tussen het warme & koude seizoen. Het wordt tijd om de link tussen het gedrag van de updraft & de flashrate (FR) onder de loep te nemen en dat doen we a.d.h.v. onderstaande onderzoeksresultaten.

Volgens onderzoek van Foote & Frank in 1983 en Burgess & Lemon in 1990 vertonen hevige buien en supercels ("gewoon" & tornadische) een sterk variabele flashrate. Ze pulseren als het ware in een tijdsraam van 15 tot 30 min.

Bovenstaande afbeelding is een aanpassing van het onderzoek van Foote & Frank in 1983. Multicels pulseren in intensiteit wanneer nieuwe cellen met de hoofd-cel samensmelten met een pulse in flashrate. Bij de multicel-supercel hybride (de meest voorkomende in onze regio) zien we hetzelfde maar de transitie gebeurt sneller. Supercels pulseren in sterkte wanneer compacte "feeders" van de flanking line met de hoofdcel samensmelten of "mergen".

Onderzoek van Knapp toonde aan dat hevige NSD-buien (vooral supercels) vaak ongewoon hoge flash rates hebben, zowel IC als CG.

De flashrate, inclusief CG's, verhoogt drastisch wanneer de intensiteit van de updraft sterker is. We hebben dit reeds in de eerdere delen gezien. De reden daartoe is dat er vlugger en meer condensatie plaatsvindt, met daardoor een ferme groei in graupel-ijs collisies, resulterend in een hogere densiteit aan negatieve lading in de mid-levels en een hogere positieve ladingsadvectie naar de buientop.

Logisch ook want, (nogmaals): introduceer je meer materiaal waarop de processen zoals het collision-coalescence proces en rijm kunnen plaatsvinden, en dit aan een sneller tempo (updraftsnelheid), creëer je meer kansen op graupel-ijs collisies en creëer je een omgeving waar het ladingsproces positief gestimuleerd wordt.

Op zich verklaart dat ook het ongewoon hoog aantal aan positieve CG's die soms bij supercels voorkomen, en wel op de volgende manier.

Een supercel staat garant voor een hevige updraft, dus als we onze reeds opgedane kennis daarop toepassen weten we dat we een verhoogde CLW hebben omdat er meer moisture, CCN's & ijsnucleae de onweersbui ingestuwd worden.  Als resultaat vinden we een abundantie aan nucleatie, rijm en het collision-coalescence proces. De updraft blijft de ingrediënten voor elektrificatie aan een hoog tempo injecteren. Staat voor zichzelf dat er een hogere bliksemactiviteit is. Deze type lading wordt "enhanced charge" genoemd

Typerend aan supercels is dat hun updraftkolom gekanteld is.  Wegens de verhoogde verticale windschering is de neerslagkolom in bovenstaande bui nu geen verticale "zuil" maar heeft de vorm, aangeduid op bovenstaande afbeelding en wordt de "echo overhang" genoemd.

Het aambeeld wordt ook verder voor zich uitgesmeerd waardoor we een groter bereik hebben waar er aan het oppervlak een negatieve lading kan ontwikkelen. 

In de "echo overhang" vinden we een maximum aan dBZ waarden terug, dus weten we dat daar een grote densiteit aan positieve lading aanwezig is. Als antwoord vinden we daarom soms een negatieve lading die wordt opgewekt aan het oppervlak, afhankelijk of de dominante lading in de "echo overhang" positief genoeg is. We vinden daarom onder de "echo overhang" ook positieve CG's.

Het "procent +CG's" overstijgt daardoor soms de 15% in hevige NSD-buien & supercels.

Merk op dat de dominant negatieve lading zich het dichtst bij de updraft bevindt, waar de hoogste CLW aanwezig is. De meeste CG-ontladingen vinden we dan ook nog steeds rond de updraft terug. 


De sterkere updrafts krijgen door hun verticale snelheid de negatief geladen graupel nog hoger getransporteerd waar ze hun collisies ondergaan in een hoger deel van de supercel. Daardoor vinden we ook de CLW in een hoger deel van de bui en dus ook de dominant negatieve lading. De afstand tussen die lading en het oppervlak is groter dus kunnen CG's kunnen zich moeilijker manifesteren met een (tijdelijk) lagere %P tot gevolg. Hier spreken we van een "elevated charge".

IC-ontladingen worden daarentegen wel in overvloed geproduceerd want het ladingsverschil moet "ergens" geneutraliseerd worden. Hoe dan ook: het resultaat van een hevige supercel-updraft is dat de supercel overnacht een stroboscopisch spektakel biedt zoals op bovenstaande foto (8 - 9 juni 2014: Level3 stormchasers).

Op zich toont ons supercel-bliksemverhaal tot nu toe dat er in elke supercel een soort competitie gaande is tussen de "enhanced charge" die de frequentie van CG's verhoogt en de "elevated charge" die de frequentie van CG's verlaagt.

Bovenstaande afbeelding toont een aanpassing op het onderzoeksresultaat van Kane (1991) die het pulserende gedrag van de flashrates op een grafiek plaatst. We zien een convectieve event in Massachusetts, 2 juni 1989. Wat we zien is de CG flashrate van een groep onweersbuien die over de regio trokken in een tijdsraam van ongeveer 5 uur.

We zien een gestage stijging in CG-flashrate doorheen de event en een afdaling in de uurlijkse CG flashrate-lijn (zwart). Op zich zegt ons dat niet zo veel: gewoon dat de algemene CG flashrate doorheen de convectieve event stijgt & daalt. De rode lijn is véél interessanter... Op de rode lijn zien we de CG flashrate over 5 minuten en die toont 4 pulsen: rond 18:15, 18:45, 19:30 & 20:15u 

Wanneer we dat reflecteren naar het tijdstip van de "severe weather reports", die ook chronologisch staan, zien we dat die gebeuren nadat het pulserend gedrag wordt gestart. Andere cases toonden gelijkaardige resultaten. De resultaten spreken over de mogelijkheid om in de CG-bliksemdata naar een pulserend gedrag te zoeken bij de benadering van een bui. Deze kan een indicatie zijn dat de bui binnen dit en enige tijd noodweer kan produceren.

Nog een interessant onderzoek omtrent de polariteit van CG's komt van Smith et. al (2000). Hier zien we de theta-e aan het oppervlak boven Kansas met de negatieve CG's (blauwe bolletjes), positieve CG's (oranje bolletjes) en de "stormtracks". Het doel van het onderzoek was uit te maken waar buien initiëren relatief aan een "theta-e" rug en de polariteit van de buien te onderzoeken.

De meeste buien ontstaan aan de westelijke zijde van de theta-e rug, (niet verwonderlijk) aan het grootste theta-e gradiënt. Het opmerkelijke aan deze afbeelding is dat elke bui die aan de westelijke kant van de theta-e rug onstaat en de theta-e tong doorkruist van polariteit verandert vanaf ze de andere kant van de theta-e tong intrekt.

Nog opmerkelijker is dat de buien aan de westelijke kant van de theta-e tong PSD zijn. Ze initiëren als PSD bui en transitioneren naar NSD vanaf de bui aan de andere kant van de theta-e rug komt. En... niet één, maar èlke bui vertoont dit gedrag, uitgezonderd bui "Ro" & "O", die aan de andere kant van de rug ontstaan. Die 2 buien zijn doorheen hun volledige leven NSD.

Het onderzoek leidde tot een soort conceptioneel model die de polariteits-transitie en de link met de theta-e rug visualiseert, waarvan hieronder onze ingekleurde versie staat geïllustreerd.

Bui "A" initiëert in het hoge theta-e gradiënt aan de westelijke kant van de theta-e rug en transitioneert bij passage van de rug-as van PSD naar NSD. Bui "B" initiëert ook in het hoge gradiënt van de theta-e rug maar kruist de rug-as niet. Deze blijft PSD doorheen zijn levensloop en bui C initiëert aan de oostelijke kant van de theta-e rug. Deze blijft NSD doorheen zijn volledige verloop.

Over het hoe en waarom van PSD buien is nog niet zo veel bekend. We zitten hier aan de uiterste grens van de wetenschap. PSD-buien zijn buien die in de buienkern gedomineerd worden door positieve CG's doorheen een significant deel van het volwassen stadium. PSD-buien met een hoge positieve CG flashrate produceren gewoonlijk hagel-events en produceren soms ook tornado's (vb +CG FR > 1.5/minuut).

"Long-track" tornado's en EF5-schade wordt ook regelmatig geassociëerd met zware PSD buien. 3 mei 1999 is o.a. zo een case, waar een groot deel van Moore (Oklahoma) van de kaart werd geveegd.

Zo weet je nu als chaser ook waar je het best moet zijn om de initiatie van de buien mee te maken: de meeste initiatie begint in het grootste gradiënt aan de westelijke kant van een theta-e rug.

Stel, je hebt een onweersituatie en je wilt als chaser weten of de situatie CG's zal produceren. Met de opgedane kennis kunnen we om dit drieluik af te sluiten, die vraag gemakkelijk beantwoorden als we een sounding erbij nemen. Dit is eentje van de 'sounding-tutorial' op onze Youtube page.

We hebben doorheen dit 3-delig werk gezien dat nucleatie begint bij een temperatuur van -10°C en dat de updraft de ingrediënten voor onze processen, verantwoordelijk voor het ladingsverschil, aanvoert. De updraft van de bui kan je zien a.d.h.v. een CAPE-profiel op een station- of modelsounding. 

Hoe meer latent-heat release, hoe breder uw CAPE-profiel zal uitkomen en hoe sterker uw verticale versnelling zal zijn. Hoe hoger uw CAPE-profiel, hoe hoger de buientop zal zijn. m.a.w.: hoe hoger de updraft reikt. Als in een situatie uw CAPE profiel tot hoger dan de -10°C komt kan je onweer verwachten, want het profiel toont een upraft (hoge CLW) tot boven de -10°C waar nucleatie, rijm en dus elektrificatie kan plaatsvinden.

CAPE-profielen die niet ver boven de -10° grens geraken worden dus minder geëlektrificeerd dan CAPE-profielen die veel hoger dan de -10°C komen, want breng je een hogere CLW in een diepere laag van de cumulonimbus introduceer je niet enkel een hogere CLW maar ook een groter volume aan CLW in de superkoele regio met een hevigere elektrificatie tot gevolg.

Profielen die tot iets hoger dan de -10°C geraken geven veelal zwakke sporadische ontladingen en bevatten regelmatig korrelhagel (graupel) als neerslag. De updraft is te zwak om de graupel hoog en lang genoeg in de mid-levels te krijgen of houden. De bron voor de opbouw van een dominant negatieve lading en daardoor mogelijke ontladingen, lekt er als het ware uit.

De duimregel is: hoe hoger uw CAPE-profiel boven de -10°C uitkomt, hoe hoger de flashrate van zowel CC, IC als CG. 

Een CAPE-profiel daarentegen die op soundings niet boven de -10° grens uitkomt elektrificeert amper of helemaal niet om ontladingen te produceren. Het staat dan ook als een paal boven water dat dit voor bliksemfotografie geen interessante situatie zal zijn.

... Wat niet wil zeggen dat de situatie met een laag, ontladingsloos CAPE-profiel geen mooie structuren zoals een shelfcloud kan brengen. Een shelfcloud hangt eerder af van het contrast in temperatuur tussen de coldpool & de omgevingstemperatuur.