Aerosolen zijn piepkleine stofdeeltjes die in de lucht zweven, waarop waterdamp uit opstijgende lucht zich kan hechten en condenseren tot waterdruppeltjes. Zonder deze deeltjes zouden er geen wolken kunnen ontstaan. De grootte van aerosolen varieert over het algemeen van 0,002 micrometer (µm) tot meer dan 200 micrometer. 

Een bekend voorbeeld van het effect van mistvorming door deze deeltjes in de praktijk is de jaarwisseling. Door de enorme hoeveelheid kruitdamp (aerosolen) van vuurwerk ontstaat er bij een hoge luchtvochtigheid binnen een kwartier een extreem dichte mist. Mist is in feite een wolk op grondniveau.

Voorbeelden van aerosolen: zeezout boven de oceanen, boven woestijnen heb je woestijnstof, bij vulkaanuitbarstingen en bosbranden komen roetdeeltjes vrij. Roet is er ook door de verbranding van fossiele brandstoffen, van uitlaatgassen en industrie. De stoffen die vrijkomen bij landbouw zijn ammoniak, methaan, fijnstof en resten van gewasbeschermingsmiddelen.

Ik noemde zojuist dat deeltjes woestijnzand terecht komen in de lucht boven woestijngebieden. Maar juist boven woestijnen is het nauwelijks bewolkt vanwege een semi-permanent hogedrukgebied rond de 30e breedtegraad. De woestijnzand-deeltjes worden door luchtstromingen wereldwijd meegevoerd en dienen als aerosolen elders.

Zwevende woestijnstof vervult elders op Aarde een aantal onmisbare functies:

• Voedingsbron voor de Amazone: Saharastof waait over de Atlantische Oceaan en bemest het Amazoneregenwoud met essentiële mineralen zoals fosfor.
• Voeding voor de oceaan: Het stof valt in de oceaan en voedt fytoplankton met ijzer, wat de basis vormt van de mariene voedselketen.
• Afkoelend effect: De aerosolen reflecteren zonlicht terug de ruimte in, wat een licht afkoelend effect heeft op het klimaat.

De impact van woestijnstof

Vaak worden aerosolen buiten beschouwing gelaten, omdat de nadruk meestal ligt op de cyclus van verdamping en afkoeling. Die is eenvoudiger te visualiseren en uit te leggen dan de microfysische processen op nanoschaal.

Waarom wolken niet zonder aerosolen kunnen

• Zonder aerosolen zou de relatieve luchtvochtigheid wel tot 400% of meer moeten stijgen om een wolk te vormen. In de natuur gebeurt dat never nooit; de luchtvochtigheid komt zelden boven de 100% uit.
• Aerosolen dienen als een soort 'steiger' of 'anker'. Ze bieden een groter, vlakker oppervlak waar watermoleculen zich makkelijk aan kunnen hechten. Dankzij deze deeltjes kan condensatie al beginnen rond de 100% luchtvochtigheid.
• Watermoleculen in gasvorm (waterdamp) kunnen niet zomaar uit zichzelf samenkomen tot een stabiele vloeibare druppel. De kromming van een microscopisch klein beginnend druppeltje is zó sterk, dat het water direct weer verdampt.

Hoe ijs zich vormt bovenin een wolk

• Warme, vochtige lucht stijgt op en op het dauwpunt condenseert de waterdamp eerst in kleine waterdruppels.
• Wanneer de wolk doorstijgt tot boven de vorstgrens (0 °C), bevriezen de waterdruppels niet meteen. Dit water blijft vloeibaar tot wel -36 °C en is onderkoeld water.
• Zodra de temperatuur nóg verder daalt of de onderkoelde druppels in contact komen met aerosolen, bevriezen de druppels direct tot ijskristallen. De condensatiekeren doen nu dienst als vrieskernen: ze katalyseren het aanvriezen.

Het Bergeron Process

Het Bergeron Process beschrijft hoe ijskristallen in een wolk razendsnel groeien ten koste van onderkoelde waterdruppels, waarna ze als sneeuw of regen naar beneden vallen. 

Dit proces werkt als volgt:

• In koude wolken zweven zowel ijskristallen als extreem koude, vloeibare waterdruppels (onderkoeld water onder het vriespunt).
• De hoeveelheid waterdamp die nodig is om de lucht rondom een ijskristal te verzadigen is lager dan de hoeveelheid die nodig is rondom een waterdruppel.
• Hierdoor ontstaat er een onbalans in de wolk. De waterdamp condenseert of vervluchtigd direct op de ijskristallen. De waterdruppels verdampen vervolgens om dit vochtverlies in de lucht aan te vullen.
• Dit proces herhaalt zich continu. De ijskristallen groeien hierdoor snel uit tot grote sneeuwvlokken. Zodra ze zwaar genoeg zijn, vallen ze door de zwaartekracht naar beneden. Tijdens hun val smelten ze, als het warm genoeg is, tot regen, of als het kouder is, bereiken ze de grond als sneeuw.
• Het Bergeron-proces speelt ook een rol bij het ontstaan van de ‘embryo’s’ van hagelstenen, waarna botsingen in een turbulente wolk het proces voltooien.

Wat zijn de gevolgen van deze ijsvorming?

• Waar de zijkanten en onderkant van de wolk scherp en bloemkoolachtig zijn, krijgt de ijstop een vage, vezelige en harige structuur.
• Bij een zware buienwolk (Cumulonimbus) botst de stijgende ijstop tegen de stratosfeer. De wolk kan niet verder omhoog en spreidt zich horizontaal uit in de vorm van een aambeeld.
• IJskristallen trekken het resterende vocht in de wolk sneller aan dan waterdruppels. Ze groeien snel, worden te zwaar en vallen naar beneden als hagel, sneeuw of smelten tot dikke regendruppels

Time lapse ontstaan cumulonimbus

Bron video: Mel Strong 

Moleculaire fysica van wolkenvorming

Bij de moleculaire fysica van wolkenvorming draait alles om de overgang van losse gasmoleculen (waterdamp) naar vloeibare aggregaties (wolkendruppels) of vaste structuren (ijskristallen). Dit microscopische proces wordt gestuurd door thermodynamica (het omzetten van warmte in beweging), intermoleculaire krachten (zoals waterstofbruggen) en faseovergangen (verdampen en  condenseren).

Thermodynamische trigger

• Warme, vochtige lucht stijgt op in de atmosfeer.
• Naarmate je hoger komt, neemt de omringende luchtdruk af.
• Hierdoor koelt opstijgende lucht adiabatisch af: een luchtpakket dat stijgt, zet uit door de lagere druk op grotere hoogte.
• Dat uitzetten kost energie en omdat er geen warmte wordt uitgewisseld met de omgeving, daalt de temperatuur van het luchtpakket flink.
• De gemiddelde snelheid van de gasmoleculen neemt af, wat macroscopisch meetbaar is als een daling van de temperatuur.
• Wanneer de lucht afkoelt tot onder het dauwpunt, raakt de lucht oververzadigd (relatieve vochtigheid > 100%)
• De natuur streeft naar de laagste energietoestand, waardoor condensatie energetisch gunstig wordt

Intermoleculaire krachten

Waterstofbruggen

Een waterstofbrug is de intermoleculaire aantrekkingskracht die ervoor zorgt dat losse waterdampmoleculen zich in een wolk aan elkaar binden tot vloeibare waterdruppels.

Faseovergangen: verdampen en condenseren

Verdampen

• Moleculen in een vloeistof bewegen continu. Als de temperatuur stijgt of er voldoende wind is, krijgen moleculen aan het oppervlak genoeg energie om los te raken en te ontsnappen als gas (damp).
• Er is warmte nodig om een stof te laten verdampen. Dit proces onttrekt dus warmte aan de omgeving.
• Voorbeelden:
  • Een plasje water op straat dat na een regenbui opdroogt.
  • Zweet dat van je huid verdampt (dit zorgt voor verkoeling).
  • Het koken van water in een pan (de vloeistof verandert in stoom).

Condenseren

• Gasvormige moleculen koelen af of komen in aanraking met een kouder oppervlak. Ze verliezen energie, gaan langzamer bewegen en vormen samen weer een vloeistof.
• Tijdens het condenseren komt er warmte vrij.
• Voorbeelden:
  • Dauwdruppels op het gras in de vroege ochtend.
  • Condens op een spiegel in de badkamer na een hete douche.
  • Beslagen autoramen of de druppeltjes aan de buitenkant van een koud glas limonade.

Sommige bomen zorgen voor wolkenvorming

'Sterk zuurstofrijke organische moleculen', ook wel bekend als 'Highly Oxygenated organic Molecules' (HOM's), spelen een cruciale rol bij het ontstaan van bepaalde atmosferische deeltjes. HOM's zijn grote, complexe organische moleculen boordevol zuurstofatomen. Ze ontstaan in de atmosfeer wanneer gassen die door bomen worden uitgestoten (zoals de koolwaterstof alfa-pineen uit naaldbossen) reageren met ozon (O₃) of •OH-radicalen. 

Een hydroxylradicaal (•OH) is een zeer reactief, onstabiel molecuul dat bestaat uit één waterstofatoom en één zuurstofatoom. 

Nucleatie is hierin de eerste stap in een faseovergang, waarbij een kleine groep moleculen kan uitgroeien tot een vloeistofdruppel of ijskristal.

Dit is atmosferische nucleatie in actie – de overgang van gasmoleculen naar stabiele vloeibare of vaste condensatiekernen. Bij HOM’s verloopt dit proces via directe homogene nucleatie, waarbij gas meteen wordt omgezet in deeltjes zonder dat er een bestaand vast oppervlak nodig is.

Uitleg grafiek nucleatie door HOM’s

1. Emissie van VOS, Vluchtige Organische Stoffen zoals a-pineen.

α-Pineen is een koolwaterstof met de molecuulformule C₁₀H₁₆  Deze vluchtige stof is verantwoordelijk voor de karakteristieke dennen- en harsgeur in een bos.

2. Atmosferische oxidatie

Vluchtige organische stoffen worden geoxideerd door ozon O₃, OH- en NO₃-radicalen. Geoxideerd worden betekent dat een molecuul elektronen afstaat. OH-radicalen (hydroxylradicalen) zijn zeer reactieve deeltjes die bestaan uit één waterstofatoom en één zuurstofatoom. In de troposfeer werkt het OH-radicaal als een soort schoonmaakmiddel voor de lucht. Het reageert met en breekt schadelijke broeikasgassen en luchtvervuilende stoffen af, zoals methaan en koolmonoxide. Het ontstaat vooral door de invloed van uv-straling uit zonlicht.  NO₃ radicalen (stikstoftrioxide). Waar OH-radicalen bekendstaan als de "schoonmakers van de overdag-atmosfeer", vervullen NO₃-radicalen exact dezelfde reinigende rol tijdens de nacht. Het zijn stikstoftrioxiden: uiterst reactieve, chemische deeltjes die bestaan uit één stikstofatoom en drie zuurstofatomen. NO₃-radicalen zijn van belang bij de afbraak van fluorchloor-koolwaterstoffen in de lagere luchtlagen van de troposfeer.

3. De  vorming van HOM's.

Dit vindt plaats door een waterstofverschuiving: de zogenoemde H-shift (onderstaande afbeelding is een voorbeeld om de H-shift te visualiseren wat er in de toverhoed gebeurt).

Deze afbeelding illustreert het proces van autoxidatie in de atmosfeer, waarbij een peroxyradicaal (dat uit 2 zuurstofatomen bestaat) via een opeenvolgende reeks van waterstofverschuivingen (H-shifts) en zuurstoftoename razendsnel verandert in een zuurstofrijk molecuul. 

• Het mechanisme van de toverhoed: Start (links): Het molecuul begint als (2 rode zuurstofatomen en 'n ongepaard elektron * ROO, een reactieve,  chemische verbinding. De R  staat voor de algemene scheikundige aanduiding voor een organische restgroep, in dit geval de koolwaterstof a-pineen. Op de plek waar het waterstofatoom is verwijderd, is nu een koolstofradicaal ontstaan dat binnen een fractie van een microseconde zuurstofatomen uit de lucht aantrekt. In de atmosfeer is er immers een overvloed aan zuurstofatomen.

• Dit extreem snelle proces vindt plaats in de toverhoed. Radicalen (weergegeven met een stip) hebben een ongepaard elektron op het zuurstofatoom. Het peroxyradicaal verandert hierdoor in een stabiel hydroperoxide (O-O-H) en heeft nu even rust. De resterende koolstofketen mist nu een waterstofatoom en is veranderd in een super reactief koolstofradicaal (C·) Hierdoor vormt dit deeltje zelf weer een nieuw peroxyradicaal  (ROO·) De punt geeft aan dat het om een radicaal gaat en dat er een ongepaard elektron aanwezig is op het tweede zuurstofatoom.

• De cirkel is rond en het proces start weer helemaal opnieuw bij stap 1. Elke cyclus voegt twee extra zuurstofatomen toe aan het molecuul zonder dat het radicaal verloren gaat. Zo ontstaan aan de rechterkant de zogenaamde HOM’s, Highly Oxygenated Organic Molecules, oftewel sterk geoxideerde organische moleculen. 

4. Clustervorming

Het proces van deeltjesvorming

• Gasvormige HOM-monomeren bewegen door de lucht en raken elkaar.
• Ze vormen direct een kleine stabiele cluster, een tweetal (dimeer).
• Dit cluster trekt andere HOM's, zwavelzuur of ammoniak aan.
• Het cluster groeit uit tot een stabiel fijnstofdeeltje, doorgaans groter dan 50 tot 100 nanometer = 50 tot 100 miljoenste mm.
• Op de fijnstofdeeltjes kan waterdamp 'landen' om wolken aan te maken.

Impact op klimaat en luchtkwaliteit

• De gegroeide clusters dienen dus als condensatiekernen voor wolken.
• Meer wolken reflecteren zonlicht en koelen de aarde af.
• Dit hele beschreven proces verklaart hoe schone boslucht wolken aanmaakt.

5. Groei van clusters en vorming CCN, Cloud Condensation Nuclei, oftewel Wolkcondensatiekernen.

Dampdruk, dauwpunt en coalescentie

Er is een logische chronologische en causale volgorde waarin deze begrippen samenkomen tijdens de vorming van neerslag. 

Dampdruk

Dampdruk is de druk die aangeeft hoeveel waterdamp er in de lucht zit. Als de lucht afkoelt, neemt de relatieve luchtvochtigheid toe omdat de maximale dampdruk lager wordt.

De losse moleculen bovenin de afbeelding stellen de gasfase (waterdamp) voor. Zij vliegen alle kanten op (aangegeven met de pijlen) en botsen tegen elkaar en tegen het vloeibare oppervlak onderin. Al die botsingen samen veroorzaken een druk, een dampdruk.

De watermoleculen bewegen bij warm weer sneller en kunnen makkelijker ontsnappen uit de vloeistof (de pijlen omhoog).Er ontsnappen zóveel moleculen naar de lucht, dat de dampdruk boven de druppel enorm stijgt. Omdat de moleculen zo hard bewegen, weigeren ze aan elkaar te plakken. De druppel zal hierdoor verdampen of verdwijnen.

Wanneer de lucht afkoelt, verliezen de moleculen snelheid, en worden ze aan elkaar gebonden door de waterstofbruggen. Voorts gaat de neerwaartse beweging overheersen: de moleculen worden vastgehouden door de vloeistof en zo wordt de waterdruppel groter.

Om te bepalen of een wolk stabiel blijft of dat het gaat regenen, kijken meteorologen naar de balans tussen de actuele dampdruk (hoeveel damp er echt in de lucht zit) en de verzadigingsdampdruk (het absolute maximum dat de lucht bij die temperatuur kan vasthouden). Hier zijn drie mogelijke scenario's in een wolk en ik plaats nogmaals de eerdere afbeelding met de bewegende moleculen.

Scenario 1: De wolk lost op (Onverzadigd)

• Er wijzen meer pijlen omhoog dan omlaag.
• De temperatuur stijgt of er stroomt droge lucht de wolk binnen.
• De moleculen bewegen zo snel dat ze vaker ontsnappen uit de druppels dan dat ze erin terugvallen.
• De actuele dampdruk is lager dan de verzadigingsdampdruk. De wolkendruppels verdampen en de wolk verdwijnt.

Scenario 2: De wolk is stabiel (Verzadigd evenwicht)

• Dit is de situatie in de afbeelding: er zijn evenveel pijlen omhoog als omlaag.
• Er ontstaat een dynamisch evenwicht (100% relatieve vochtigheid).
• Per seconde verdampen er evenveel watermoleculen als dat er condenseren op de druppels.
• De actuele dampdruk is gelijk aan de verzadigingsdampdruk. De wolk verandert niet van grootte en blijft rustig hangen.

Scenario 3: Het gaat regenen (Oververzadigd)

• Er wijzen meer pijlen omlaag dan omhoog.
• Dit gebeurt als de wolk verder stijgt en sterk afkoelt.
• Omdat koude lucht veel minder waterdamp kan vasthouden, klettert de maximale verzadigingsdampdruk omlaag. De actuele dampdruk is nu ineens hoger dan wat de lucht kan dragen.
• De trage moleculen worden massaal door de druppels gevangen. De druppels groeien razendsnel via coalescentie of het

  Wegener-Bergeron-Findeisen proces totdat ze te zwaar worden en als regen naar beneden vallen.

• De naam Alfred Wegener zal altijd verbonden blijven met het proces van de platentektoniek.

De dampdruk van waterdamp boven water is hoger dan die boven ijs, zodat er in de gemengde zone waterdamptransport optreedt doordat de onderkoelde waterdruppeltjes verdampen en vervolgens verrijpen op de ijskristallen. Het verschil in dampdruk is het grootst bij −15°C, zodat de aangroei van de ijskristallen bij die temperatuur het sterkst is.

Naarmate ijskristallen groter worden, worden ze zwaarder en vallen ze naar beneden, waarbij ze onderweg tegen elkaar botsen in een proces dat coalescentie genoemd wordt. Bij temperaturen net onder het vriespunt vormen ze sneeuwvlokken. Zodra deze vlokken het nulgradenniveau passeren, smelten ze gedeeltelijk of volledig. De neerslag zo ontstaat kan motregen, regen, sneeuw of hagel zijn. In gematigde breedten valt het grootste deel van de neerslag op deze manier. Zelfs in de zomer begint de meeste neerslag als sneeuw.

Het dauwpunt is het moment waarop wolkenvorming begint

Je kunt dit startpunt vaak heel duidelijk buiten zien. Kijk maar eens naar stapelwolken (cumulus) op een mooie zomerdag. De onderkant van al die losse wolken is vaak perfect plat en bevindt zich op exact dezelfde hoogte. Die vlakke onderkant markeert de wolkenbasis: de exacte hoogte in de atmosfeer waar de temperatuur gelijk is aan het dauwpunt.

Dit condensatieproces verloopt op moleculair niveau in een aantal stappen.

1. Afkoeling en daling van kinetische energie (bewegingsenergie):

• Waterdampmoleculen bewegen snel en los van elkaar door de lucht.
• Warme lucht stijgt op in de atmosfeer en koelt daar af.
• Door de afkoeling verliezen de watermoleculen kinetische energie 
• De moleculen bewegen trager en komen dichter bij elkaar.

2. Het bereiken van het condensatiepunt: 

• De lucht raakt verzadigd met waterdamp (bij 100% relatieve vochtigheid).
• De watermoleculen kunnen hun onderlinge aantrekkingskracht niet langer meer handhaven.
• Intermoleculaire krachten (waterstofbruggen) beginnen zich te vormen tussen de watermoleculen.

Groei tot een waterdruppel

• De eerste laag moleculen vormt een stabiele vloeistoffilm rond de condensatiekern.

• De waterstofbruggen trekken de moleculen dicht naar elkaar toe in een compacte vloeistofstructuur.
• De microscopische deeltjes groeien uit tot een zichtbare en zwaardere regendruppels.

Coalescentie

Coalescentie is de laatste fase in dit proces. Hierbij botsen kleine wolkendruppels tegen elkaar en vloeien samen tot grotere, zwaardere regendruppels, waardoor uiteindelijk neerslag ontstaat. Wolkendruppels die door condensatie gevormd worden, zijn in eerste instantie zo microscopisch klein en licht dat ze in de lucht blijven zweven. Om de grond als neerslag te bereiken, moeten deze druppels miljoenen keren groter en zwaarder.

Hoe het coalescentie-proces werkt

• Door turbulente luchtstromingen, de up- en downdraft,  in een wolk zijn sommige waterdruppels net iets groter dan andere.
• Grotere, zwaardere druppels vallen sneller naar beneden dan de lichtere, kleinere druppeltjes.
• Tijdens hun val halen de grotere druppels de kleinere in. Ze botsen ertegenaan en sluiten ze in: het coalescentie -proces..
• Dit proces herhaalt zich continu tot de druppel zwaar genoeg is om de opwaartse luchtstromen te overwinnen en als regen uit de wolkenbasis te vallen.

Wat is de exacte hoogte van een cumuluswolk?

De factor 125 is direct afgeleid van het verschil in afkoelingssnelheid tussen de stijgende luchttemperatuur en de dalende dauwpunt-temperatuur. Stijgende lucht zet uit en koelt af. Dit verloopt via vaste wetten:

• Luchtafkoeling:   De temperatuur daalt 1,0 °C per 100 meter.
• Dauwpuntverloop: Het dauwpunt daalt 0,2 °C per 100 meter.

Dit natuurkundige proces zorgt ervoor dat het temperatuurverschil (de spreiding) per 100 meter stijging met exact 0,8 °C afneemt, wat na de berekening 100 / 0,8 leidt tot de factor 125. Deze methode staat ook bekend als de formule van Hennig en is te vinden in meteorologische hulpmiddelen zoals deze wolkenbasis calculator.

Deze formule berekent puur de optredende condensatiehoogte van een thermiekbel. Cumuluswolken zijn de enige wolken die exact op dit niveau hun basis hebben. Wolken zoals stratus (laaghangende bewolking) of cirrus (hoge vederwolken) ontstaan vaak door grootschalige weersystemen, zoals een warmtefront dat overschuift, en niet door opstijgende luchtbellen vanaf de warme bodem.

Een handige truc om zelf te controleren of je een Altocumulus of een Stratocumulus ziet.

Je kunt met je eigen hand aan de hemel meten hoe hoog de wolken ongeveer zitten:

• Strek je arm recht vooruit en steek je duim omhoog richting de wolkjes.
• Kun je een individueel 'schaapje' bedekken met je duim? Dan is het een Altocumulus (middelbare hoogte, 2-6 km).
• Zijn de wolkenelementen nog veel kleiner en kun je ze bedekken met je pink? Dan zit je in de categorie Cirrocumulus (extreem hoog, boven de 6 km).
• Is het wolkenelement veel groter dan je duim of zelfs je hele vuist? Dan is het een lage Stratocumulus.

Ik ga nu een stapje verder: hoe groot is deze wolk, "als je er vlak voor zou staan?" Om de grootte van deze wolk te meten is het handig dat we nu de hoogte hebben berekend: 1000 meter. 

Met de pink, vingers, vuist en gespreide hand, en dat met gestrekte arm, kun je de graden bepalen. Omdat je weet dat de wolk op 1000 meter hoogte zit, kun je de hoek van 17,5 graden omrekenen om tot het aantal meters te komen. Per graad is een wolk op 1000 meter hoogte ongeveer 17,5 meter breed, afgerond op 17 meter.

1. Lage Stapelwolken (Cumulus)

Bevindt zich op ongeveer 1.000 meter (1 kilometer) hoogte.

• Pink 1° = 17 meter breed
• 3 Vingers 5° = 87 meter breed
• Vuist 10° = 175 meter breed
• Gemiddelde wolk: Een typische, volgroeide vriendelijke stapelwolk is vaak zo'n 5 tot 6 vuisten breed aan de horizon (ongeveer 1.000 meter breed).

2. Middelbare Schaapjeswolken (Altocumulus)

Bevindt zich op ongeveer 4.000 meter (4 kilometer) hoogte.

• Pink 1° = 70 meter breed
• 3 Vingers 5° = 350 meter breed
• Vuist 10° = 700 meter breed
• Gemiddelde wolk: De individuele kleine wolkjes in middelbare bewolking zijn vaak precies zo groot als je pink of drie vingers aan de hemel.

3. Grote Onweersbuien (Cumulonimbus)

De basis begint laag op 1.000 meter, maar de wolk bouwt zich kilometers breed uit.

• Pink 1° = 17 meter aan de onderkant, de top op 10 km hoogte is 175 meter per pink!
• Vuist 10° = Een gigantische onweersbui vult al snel je volledige uitgestrekte hand 20°    of meerdere vuisten naast elkaar. Op 3 kilometer afstand is één vuist al 525 meter breed.

Wolkensoorten en hun varianten

Voor uitgebreide wolkentypen, beschrijvingen, visuele gidsen en subtypen kun je de officiële International Cloud Atlas van de Wereld Meteorologische Organisatie (WMO) raadplegen.

De basis van de meeste wolken

• Op een zonnige dag stijgen opgewarmde luchtbellen op en bereiken aan het einde van de ochtend het punt waar onzichtbare waterdamp afkoelt en condenseert tot kleine druppeltjes. Dit is het dauwpunt, oftewel het condensatiepunt.
• Op deze hoogte is de temperatuur van de opstijgende lucht gelijk aan de dauwpunttemperatuur, en de basis is gelegd voor een wolk.
• De onderkant van de zopas gevormde wolk is dan nog wit en helder, omdat zonlicht er nog gemakkelijk doorheen schijnt en wordt verstrooid.
• Als een wolk groter en dikker wordt, heeft het zonlicht steeds meer moeite om door de wolk heen te schijnen, waardoor de onderkant door zijn eigen schaduw donkerder oogt. Hierdoor zie je vaak een rij wolken met strakke, platte en donkere onderkanten allemaal op dezelfde hoogte.
• Een donkere onderkant betekent vaak dat de wolk veel water bevat en er een grote kans is op regen, of tóch nog even niet……

• Dat het nog niet regent, komt doordat de zware neerslagkern zich nog achter de wolkenrand bevindt of de stijgstromen de regen nog in de lucht houden.

Een volgroeide Cumulonimbus daarentegen weegt gemiddeld wel zo'n 500.000 tot enkele miljoenen tonnen! De opwaartse druk van warme, opstijgende lucht is krachtig genoeg om dit enorme gewicht in de lucht te houden. 

Maar ineens breekt de wolk open! Krachtige, warme opwaartse luchtstromen blazen de vallende regendruppels en hagelstenen telkens weer omhoog. Het water blijft zich hierdoor bovenin de wolk ophopen. De wolk wordt zó topzwaar dat de opwaartse luchtstroom plotseling bezwijkt onder het totale gewicht. Al het opgehoopte water valt in één keer als een massieve 'waterval' naar beneden.

Wanneer de opwaartse luchtstromen de miljoenen tonnen aan water en ijs niet meer kunnen dragen, ontlaadt de wolk zich in een explosieve combinatie van neerslag en elektriciteit.

Hoe ontstaan bliksem en donder in een cumulonimbus?

Hoog in de ijskoude top van de wolk knallen lichte ijskristallen en zwaardere hagelstenen stevig tegen elkaar. Bij deze botsingen worden elektronen uitgewisseld.. De lichte ijskristallen worden positief geladen en stijgen naar de absolute top van de wolk. De zwaardere hagelstenen worden negatief geladen en zakken naar de onderkant van de wolk. Hierdoor ontstaat een enorm elektrisch spanningsveld tussen de top en de basis van de wolk, en tussen de wolk en de aarde.

Wanneer het spanningsverschil tussen de negatieve onderkant en de positieve bovenkant en/of het positieve aardoppervlak te groot wordt, zoekt de elektriciteit de makkelijkste weg. Er schiet een onzichtbare stroom naar beneden en zodra deze de grond raakt, volgt een enorme elektrische ontlading die we zien als een bliksemflits. Deze flits verwarmt de lucht eromheen in een fractie van een seconde tot wel 30.000 graden Celsius, vijf keer zo heet als het oppervlak van de Zon!!

Windschering

De voornaamste drijfveer achter het type onweer, de intensiteit en de levensduur van zware onweersbuien, is de verandering in windsnelheid en windrichting, ook wel windschering genoemd

Up- en downdrafts 

Op- en neerwaartse stijgstromen in een wolk

Bron video: Aviation Weather

Donkere dreigende wolkenbasis

Waarom de basis zo donker is en het nog niet regent.

• De massieve dikte van een Cumulonimbus blokkeert zonlicht: De wolk boven de basis groeit door de loeiende stijgstroom razendsnel verticaal uit tot enkele kilometers hoogte. Het zonlicht kan hier simpelweg niet meer doorheen dringen, wat de wolk onderin diep donkergrijs kleurt.
• De stijgstroom 'draagt' het water: De warme lucht stijgt met windsnelheden van 50 tot wel meer dan 150 km/u omhoog. Deze opwaartse kracht is zo intens dat condensatie en de gevormde regen en hagel diep in de wolk worden vastgehouden en meegesleurd tot bovenin de wolk. De zwaartekracht verliest het in deze zone volledig van de stijgstroom.
• Scheiding van up- en downdrafts: Pas wanneer de opgezogen lucht hoger in de troposfeer afkoelt en zwaarder wordt, ontstaat er elders in de wolk een neerwaartse stroom (downdraft). De regen- en hagelzone bevindt zich daardoor een stuk achter of naast deze droge, donkere stijgstroombasis

Supercell Storms en Vulkanische bliksems.

Onweer wordt vaak ingedeeld naar omvang en ontstaanswijze, met grofweg drie soorten: single cell, multicell en supercell.  

• Een single cell is een relatief kleine bui die weinig energie nodig heeft om te ontstaan, maar toch flinke wateroverlast kan veroorzaken. Warmteonweer na een zomerse dag is hier een goed voorbeeld van. Ze ontwikkelen zich razendsnel, worden niet altijd op tijd door de radar waargenomen, verplaatsen zich langzaam en kunnen veel bliksem produceren. Hun levensduur is meestal minder dan een uur.  
• Een multicell bestaat uit meerdere buien en heeft meer energie én windschering nodig. Dit type leeft langer, verplaatst zich sneller en veroorzaakt minder vaak langdurige wateroverlast, maar vergroot de kans op hagel en rukwinden.  
• Een supercell is een grote, krachtige onweersbui die veel energie en windschering vraagt. Ze zijn zeldzaam, maar kunnen zeer heftig zijn, met kans op windhozen of tornado’s. Sommige supercells kunnen zelfs ’s nachts actief blijven door zich te blijven voeden met energie.

Bliksem tijdens een vulkaanuitbarsting ontstaat door extreme wrijving van miljarden asdeeltjes, ijskristallen en fijne rotsdeeltjes, (tefra), die met hoge snelheid de lucht in worden geschoten. Deze botsingen laden de wolk statisch op, wat leidt tot krachtige ontladingen

Red Sprites

Het atmosferische theater heeft nóg iets spectaculairs in z'n coulissen.

In 1989 werden deze feeënachtige verschijningen voor het eerst per toeval vastgelegd. Omdat zowel de locatie, hoog in de atmosfeer, als het tijdstip onvoorspelbaar zijn, is nog steeds veel onbekend over dit fenomeen.. 

De Kosmische Vonk (De Start)

• Kosmische straling bestaat uit protonen afkomstig uit de diepe ruimte. Wanneer deze deeltjes de bovenkant van onze atmosfeer raken, splijten ze luchtmoleculen. Dit proces laat continu een spoor van vrije elektronen en ionen achter. Zij leveren de "startblokjes" voor dit feeërieke fenomeen. Binnen een fractie van een milliseconde zwelt een klein aantal elektronen aan tot een enorme stroom van miljarden vrije elektronen die naar beneden raast.

Waarom we ze in Nederland bijna nooit met het blote oog zien

Het is heel goed mogelijk dat er een red sprites recht boven je hoofd ontstaat tijdens een heftige Nederlandse zomerbui, maar toch zul je hem daar zelf nooit zien. Dat heeft een simpele reden:

• De onweerswolk zit in de weg: Omdat een sprites zich op 40 tot 90 kilometer hoogte afspeelt – recht boven de actieve onweerswolk – blokkeert diezelfde onweerswolk (die vaak kilometers dik is) het uitzicht naar boven. 

Wolken in de bovenste atmosfeer 

Onderaan het linker rijtje op beginpagina van de International Cloud Atlas zie je Wolken van de bovenste atmosfeer

Ik wil straks afsluiten met de meest betoverende wolken die er zijn: Lichtende Nachtwolken (Noctilucent Clouds). Maar eerst wil ik Parelmoerwolken benoemen. Dit zijn stratosferische wolken, die ook een sprookjesachtige uitstraling hebben, maar wel een schaduwzijde kennen.

Parelmoerwolken

Parelmoerwolken worden op basis van hun chemische samenstelling en fysieke eigenschappen onderverdeeld in twee hoofdtypen.

Type I: Salpeterzuur- en zwavelzuurwolken

Dit type ontstaat bij temperaturen onder de -78 °C. Dit zijn de meest voorkomende stratosferische wolken. Ze zijn chemisch zeer actief en spelen een hoofdrol bij de afbraak van de ozonlaag. Dit is dus die schaduwzijde die ik bedoelde. De chemische reacties die op het oppervlak van deze zuurhoudende wolkendeeltjes plaatsvinden, zetten inactieve chloor- en broomverbindingen om in agressieve radicalen. Zodra de zon in het voorjaar op deze wolken schijnt, zorgt dit voor de bekende 'gaten' in de ozonlaag

Type II: Zuivere ijswolken

Dit type ontstaat pas bij nog extremere temperaturen onder de -85 °C. Dit is het type dat zorgt voor de meest spectaculaire, heldere parelmoerkleuren.

• Samenstelling: Bestaan volledig uit zuiver waterijs 
• Uiterlijk: De ijskristallen zijn groter en homogener dan die van  het 1e Type, waardoor ze het zonlicht perfect in felle regenboogkleuren breken.

Wetenschappers meten de verschillende typen parelmoerwolken vanaf de Aarde voornamelijk met Lidar (Light Detection and Ranging). Dit is een geavanceerde lasertechnologie die werkt als een optische radar: Lidar meet stof in de lucht

Lichtende nachtwolken

Ook bijna onzichtbaar, en op dezelfde hoogte als het betoverende schouwspel van de feeërieke sprites in de mesosfeer, drijven de meest sprookjesachtige wolken die je je kunt voorstellen.

Lichtende nachtwolken zijn hoge, flinterdunne ijswolken in de mesosfeer. In onze zomers dalen de temperaturen op 85 km hoogte tot min 100 en zelfs tot min 145 graden! Alleen bij zulke extreme kou vormt waterdamp ijskristallen rond stofdeeltjes. Deze kristallen weerkaatsen het op die hoogte nog aanwezige zonlicht en creëren zo de karakteristieke zilverblauwe, golvende sluiers tegen de donkere hemel. 

Ze zijn elk jaar te zien van eind mei tot eind juli, met als piek 21 juni, de zomerzonnewende. Buiten die periode is het in de mesosfeer niet koud genoeg om ijskristallen rond aerosolen te vormen. Ook mogen er in de troposfeer geen andere wolken zijn die het spektakel verstoren. De beste momenten om ze te bewonderen zijn een uur tot anderhalf uur na zonsondergang in het noordwesten, en een uur tot anderhalf uur voor zonsopkomst in het noordoosten.

Het Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP)  publiceert grafieken met actuele data en 24-uurs overzichten van atmosferische reflecties door ijskristallen in de mesosfeer, die lichtende nachtwolken in onze troposfeer zichtbaar maken. Echter de getoonde Radarplots geven op dit moment geen actuele signalen door, mogelijk voor onderhoud om op de piek, 21 juni, optimaal te kunnen functioneren. Dus zocht ik verder en vond Signal - 24hrs HTI plots 

In de onderste horizontale lijn wordt de Universele Tijd weergegeven, dus met onze zomertijd twee uur erbij tellen. Links in de grafiek zie je de hoogte, en op 85 km staat een lijn die de kleurintensiteit (het signaalvermogen) aangeeft: groen betekent weinig reflectie, geel wat meer, en rood duidt op een krachtige signalering.

Dan heb ik nog één cruciale aanwijzing: 

Als je hier klikt zie je meteen de actuele grafiekkaart van de LIM - Collmer Radar, die de windsnelheid en de windrichting aangeeft in de Mesosfeer op 85 km hoogte!!! Neem hiervoor de op één na onderste = de blauwe stippellijn die 85 km aangeeft. (de lijn eronder en erboven: 12...0...12 is de tijdlijn

Loopt de stippellijn onder de vaste nul-lijn, dan is de windrichting op die hoogte onze richting!

Voor de windrichting van dit actuele moment staat de nul-lijn, die de windsnelheid aangeeft centraal. Er is tevens een opsplitsing in twee componenten die de windrichting aangeeft: links de zonale wind (oost-west-richting) en rechts de meridionale wind (noord-zuid-richting).

De zonale wind is voor Nederland van belang, die moet op 85 km hoogte westwaarts zijn.

Omdat het Collm Observatorium in Oost-Duitsland ligt (ten oosten van Nederland), beweegt een westwaartse wind op die hoogte richting Nederland. De windrichting op basis van de lijnen lees je als volgt:

Zonale wind (links):

• Als de stippellijn boven de nul-lijn staat, is er sprake van een westerwind (van west naar oost). De wind op 85 km hoogte waait dan richting Polen.
• Als de stippellijn onder de nul-lijn staat, is er sprake van een oosterwind  (van oost naar west). Dan waait de wind op 85 km hoogte richting Nederland.

Meridionale wind:

• Stippellijn boven de nul-lijn betekent een wind naar het noorden (vanuit het 
• Stippellijn onder de nul-lijn betekent een wind naar het zuiden