Over ijskristallen en vrieskernen
Over ijskristallen en vrieskernen
De komende dagen zien we geregeld regen vallen. Ofwel uit een dik pakket aaneengesloten bewolking, ofwel uit hoog uitgroeiende stapelwolken. In dit verhaal duiken we in de wereld van de buienwolk. En kijken we specifiek naar de ijskristallen. Zodra zich in een bui namelijk voldoende ijskristallen hebben gevormd, kan het neerslagproces beginnen. Tot dat moment is een bui nog in ontwikkeling en is het droog.
Stevige buien zullen de komende tijd geregeld passeren. Als de laagstaande zon in je rug schijnt, werken de regendruppels als prisma en vormt zich een regenboog. Foto: Johan Westra.
Voordat een cumuluswolk het buienstadium bereikt, moet er heel wat gebeuren. Er moeten opwaartse luchtbewegingen zijn, er moet veel vocht voorhanden zijn en er moeten condensatie- en vrieskernen zijn. Voor dat laatste geldt dat de wolk dus behoorlijk hoog dient uit te groeien, totdat het koud genoeg is om vele ijskristallen te laten ontstaan.
Wie kijkt, ziet
Dat hele proces is vaak goed te volgen. Ga maar eens tijdens een ‘onstabiele’ dag op een mooi uitkijkpunt staan -dat kan ook binnen zijn- en kijk naar de lucht. Je ziet stapelwolken in vele gedaantes. Ze veranderen continu van vorm, ze groeien, ze zakken in, andere wolken vormen zich, groeien hoog uit en als het maar koud genoeg is bovenin, begint het te regenen. Of te sneeuwen, of te hagelen. Als je op een dag met veel buien een film maakt die je vervolgens versneld afspeelt, dan kijk je je ogen uit van de kolkende wolkenmassa’s.
Bovenin gebeurt het
Het draait in een hoog uitgroeiende cumuluswolk allemaal om waterdruppeltjes en ijskristallen. Zodra er ijskristallen beginnen te ontstaan die aan elkaar klitten en zodoende sneeuwvlokken vormen, begint het neerslagproces. Het uiterlijk van de wolk verandert dan ook; de eerst duidelijke contouren van de omhoog borrelende wolkendelen vervagen. Er vormt zich een zogeheten aambeeld aan de bovenzijde van de wolk, bestaande uit ijskristallen. Die ijskristallen ontstaan echter niet bij 0 graden Celsius (het vriespunt van water), maar pas bij ruim lagere temperaturen. Veelal moet het in een grote cumuluswolk kouder zijn dan 10 graden onder nul, eer er ijskristallen gevormd worden.
Het gegeven dat ijskristallen in een aambeeldwolk pas bij -10 tot -14 graden ontstaan, moet gezocht worden in het ontbreken van voldoende vrieskernen en de te doorbreken dampspanning van kleine waterdruppeltjes.
Maar deze stapelwolk veroorzaakt wel neerslag. De bovenzijde bestaat uit ijskristallen, dat is het aambeeld. Foto: Karin Broekhuijsen.
Vrieskernen
Vrieskernen zijn net als condensatiekernen nodig bij het uit de lucht laten condenseren van vocht. Stof- en vuildeeltjes fungeren als condensatiekern waar waterdamp (gasvorm) op condenseert naar minuscule waterdruppeltjes. Ook al is de lucht verzadigd van waterdamp, zonder condensatiekernen krijg je geen druppeltjes, er is een ‘deeltje’ nodig om aan te hechten. In zuivere lucht is een oververzadiging van waterdamp mogelijk van zelfs 400 procent. Dit gebeurt in de werkelijkheid nooit, want condensatiekernen zijn ruim voldoende aanwezig in de lucht. Je moet dan onder andere denken aan zeezoutkristallen, kleideeltjes, zanddeeltjes, roetdeeltjes en allerlei zuren die door de mens in de lucht worden gebracht.
Als de waterdruppels eenmaal gevormd zijn en door de stijgende luchtbewegingen steeds talrijker worden en ook steeds verder afkoelen, zal op enig moment de overgang van waterdruppel naar ijskristal plaats vinden. Hiervoor zijn vrieskernen nodig. Vrieskernen zijn echter veel minder talrijk dan condensatiekernen. Het zijn ten opzichte van condensatiekernen vrij grote kernen, veelal afkomstig van rotsen en andere mineralen. Deze deeltjes hebben de eigenschap dat ze veelal het meest effectief zijn bij temperaturen rond min 12 graden.
De drie verschijningsvormen van water: vloeibaar, vast en gas. Als onderkoelde regendruppels overgaan in ijskristallen, kan dat meestal pas bij 10 graden onder het vriespunt.
Dampspanning
Minuscule waterdruppeltjes kunnen door het ontbreken van voldoende vrieskernen lange tijd onderkoeld blijven. Waterdruppels in hun zuiverste vorm kunnen in het uiterste geval zelfs tot min 40 onderkoeld blijven. Meestal wordt echter een temperatuur rond min 12 graden aangehouden door de meteorologen. Op dat moment wordt de dampspanning die heerst in het waterdruppeltje doorbroken. Dampspanning is een fysische eigenschap die weergeeft hoe gemakkelijk het waterdruppeltje verdampt. Bij kleine druppeltjes is het doorbreken van de dampspanning niet heel gemakkelijk, daarvoor moeten de temperaturen laag genoeg zijn. Dan gaat het de druppel gelijk over naar de vaste fase: naar ijskristal.
Daar waar de temperatuur in een deel van de cumuluswolk laag genoeg is, groeien sneeuwkristallen aan ten koste van onderkoelde waterdruppeltjes (wolkendruppeltjes).
En dan is er sneeuw
IJskristallen zijn ook nog heel klein, maar een paar tientallen ijskristallen bij elkaar vormen een sneeuwvlok. Die sneeuwvlok kan door het lage gewicht lang in de wolk blijven hangen, maar als ‘ie maar groot genoeg wordt, en/of in een stevige daalstroom terecht komt, zal de vlok vallen. Daar waar de lucht in de hele luchtkolom (zowel in de wolk als onder de wolk) onder nul is, hebben we aan het aardoppervlak sneeuw. Als de lucht in de onderste honderden meters boven nul is, wordt het regen. Uiteraard zijn er nog meer mogelijkheden. Zo kan een vlok of drup weer in een opwaartse luchtstroming terecht komen en opnieuw bevriezen in de aambeelddelen van de wolk. In dat geval vindt transformatie plaats naar hagel.
Bron: Meteo Consult
De komende dagen zien we geregeld regen vallen. Ofwel uit een dik pakket aaneengesloten bewolking, ofwel uit hoog uitgroeiende stapelwolken. In dit verhaal duiken we in de wereld van de buienwolk. En kijken we specifiek naar de ijskristallen. Zodra zich in een bui namelijk voldoende ijskristallen hebben gevormd, kan het neerslagproces beginnen. Tot dat moment is een bui nog in ontwikkeling en is het droog.
Stevige buien zullen de komende tijd geregeld passeren. Als de laagstaande zon in je rug schijnt, werken de regendruppels als prisma en vormt zich een regenboog. Foto: Johan Westra.
Voordat een cumuluswolk het buienstadium bereikt, moet er heel wat gebeuren. Er moeten opwaartse luchtbewegingen zijn, er moet veel vocht voorhanden zijn en er moeten condensatie- en vrieskernen zijn. Voor dat laatste geldt dat de wolk dus behoorlijk hoog dient uit te groeien, totdat het koud genoeg is om vele ijskristallen te laten ontstaan.
Wie kijkt, ziet
Dat hele proces is vaak goed te volgen. Ga maar eens tijdens een ‘onstabiele’ dag op een mooi uitkijkpunt staan -dat kan ook binnen zijn- en kijk naar de lucht. Je ziet stapelwolken in vele gedaantes. Ze veranderen continu van vorm, ze groeien, ze zakken in, andere wolken vormen zich, groeien hoog uit en als het maar koud genoeg is bovenin, begint het te regenen. Of te sneeuwen, of te hagelen. Als je op een dag met veel buien een film maakt die je vervolgens versneld afspeelt, dan kijk je je ogen uit van de kolkende wolkenmassa’s.
Bovenin gebeurt het
Het draait in een hoog uitgroeiende cumuluswolk allemaal om waterdruppeltjes en ijskristallen. Zodra er ijskristallen beginnen te ontstaan die aan elkaar klitten en zodoende sneeuwvlokken vormen, begint het neerslagproces. Het uiterlijk van de wolk verandert dan ook; de eerst duidelijke contouren van de omhoog borrelende wolkendelen vervagen. Er vormt zich een zogeheten aambeeld aan de bovenzijde van de wolk, bestaande uit ijskristallen. Die ijskristallen ontstaan echter niet bij 0 graden Celsius (het vriespunt van water), maar pas bij ruim lagere temperaturen. Veelal moet het in een grote cumuluswolk kouder zijn dan 10 graden onder nul, eer er ijskristallen gevormd worden.
Het gegeven dat ijskristallen in een aambeeldwolk pas bij -10 tot -14 graden ontstaan, moet gezocht worden in het ontbreken van voldoende vrieskernen en de te doorbreken dampspanning van kleine waterdruppeltjes.
Maar deze stapelwolk veroorzaakt wel neerslag. De bovenzijde bestaat uit ijskristallen, dat is het aambeeld. Foto: Karin Broekhuijsen.
Vrieskernen
Vrieskernen zijn net als condensatiekernen nodig bij het uit de lucht laten condenseren van vocht. Stof- en vuildeeltjes fungeren als condensatiekern waar waterdamp (gasvorm) op condenseert naar minuscule waterdruppeltjes. Ook al is de lucht verzadigd van waterdamp, zonder condensatiekernen krijg je geen druppeltjes, er is een ‘deeltje’ nodig om aan te hechten. In zuivere lucht is een oververzadiging van waterdamp mogelijk van zelfs 400 procent. Dit gebeurt in de werkelijkheid nooit, want condensatiekernen zijn ruim voldoende aanwezig in de lucht. Je moet dan onder andere denken aan zeezoutkristallen, kleideeltjes, zanddeeltjes, roetdeeltjes en allerlei zuren die door de mens in de lucht worden gebracht.
Als de waterdruppels eenmaal gevormd zijn en door de stijgende luchtbewegingen steeds talrijker worden en ook steeds verder afkoelen, zal op enig moment de overgang van waterdruppel naar ijskristal plaats vinden. Hiervoor zijn vrieskernen nodig. Vrieskernen zijn echter veel minder talrijk dan condensatiekernen. Het zijn ten opzichte van condensatiekernen vrij grote kernen, veelal afkomstig van rotsen en andere mineralen. Deze deeltjes hebben de eigenschap dat ze veelal het meest effectief zijn bij temperaturen rond min 12 graden.
De drie verschijningsvormen van water: vloeibaar, vast en gas. Als onderkoelde regendruppels overgaan in ijskristallen, kan dat meestal pas bij 10 graden onder het vriespunt.
Dampspanning
Minuscule waterdruppeltjes kunnen door het ontbreken van voldoende vrieskernen lange tijd onderkoeld blijven. Waterdruppels in hun zuiverste vorm kunnen in het uiterste geval zelfs tot min 40 onderkoeld blijven. Meestal wordt echter een temperatuur rond min 12 graden aangehouden door de meteorologen. Op dat moment wordt de dampspanning die heerst in het waterdruppeltje doorbroken. Dampspanning is een fysische eigenschap die weergeeft hoe gemakkelijk het waterdruppeltje verdampt. Bij kleine druppeltjes is het doorbreken van de dampspanning niet heel gemakkelijk, daarvoor moeten de temperaturen laag genoeg zijn. Dan gaat het de druppel gelijk over naar de vaste fase: naar ijskristal.
Daar waar de temperatuur in een deel van de cumuluswolk laag genoeg is, groeien sneeuwkristallen aan ten koste van onderkoelde waterdruppeltjes (wolkendruppeltjes).
En dan is er sneeuw
IJskristallen zijn ook nog heel klein, maar een paar tientallen ijskristallen bij elkaar vormen een sneeuwvlok. Die sneeuwvlok kan door het lage gewicht lang in de wolk blijven hangen, maar als ‘ie maar groot genoeg wordt, en/of in een stevige daalstroom terecht komt, zal de vlok vallen. Daar waar de lucht in de hele luchtkolom (zowel in de wolk als onder de wolk) onder nul is, hebben we aan het aardoppervlak sneeuw. Als de lucht in de onderste honderden meters boven nul is, wordt het regen. Uiteraard zijn er nog meer mogelijkheden. Zo kan een vlok of drup weer in een opwaartse luchtstroming terecht komen en opnieuw bevriezen in de aambeelddelen van de wolk. In dat geval vindt transformatie plaats naar hagel.
Bron: Meteo Consult
Bekijk het van de zonnige kant, de meeste regen valt naast je.
Alles wat u altijd al wilde weten over ijsvorming
Nauwelijks is de temperatuur gaan dalen, of half Nederland slaat aan het ijskansberekenen. Of de schaats al uit het vet kan, het ijs dik genoeg is, de toertocht uitgezet. IJs is lastig. Er zijn computermodellen, precisiemetingen en laboratoriumexperimenten, maar als het om de eenvoudige vraag gaat of we volgende week kunnen schaatsen, staat de wetenschap met een mond vol tanden. En wat is er nu eenvoudiger dan water dat bevriest?
In het Groningse Noord-Laren kan al geschaatst worden.
Watermoleculen
Lag het maar zo simpel, zegt Huib Bakker, hoogleraar ultrasnelle spectroscopie en als expert in watermoleculen werkzaam aan het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf) in Amsterdam. 'Het proces luistert heel nauw en is onderhevig aan allerlei factoren', zegt Bakker, die zelf ook graag schaatst.
Het begint al met het water zelf. Zo heeft water de rare eigenschap dat het het zwaarst is bij 4 graden Celsius, dat is de reden waarom de bodem van een meer altijd zo koud is. Afkoelend water zal zich dus steeds spontaan omroeren, totdat alles 4 graden is: kouder water is weer wat lichter en komt aan de oppervlakte. Dat verklaart waarom diepere sloten lastiger bevriezen dan ondiepe: 'Het water moet helemaal gekoeld worden voordat het kan bevriezen.'
Uitstraling
Bij dat bevriezen draait het allemaal om het kwijtraken van warmte. Door uitstraling - water zal 's nachts wat energie wegstralen in de koude buitenlucht - of doordat het water direct contact maakt met langsstromende lucht: een ijzige wind helpt het bevriezen. Daarna heeft het water een beginnetje nodig. Kleine stofdeeltjes, moleculaire klontjes: iets moet het bevriezingsproces aanjagen, een groeikern waarop zich ijskristallen vormen. Voilà: daar groeit het eerste vliesje ijs.
En dan maar hopen dat het niet gaat sneeuwen. Wil het ijs doorgroeien, dan moet het water onder het ijs warmte blijven afstaan. Dat gaat dwars door het ijs: dat is een redelijke thermische geleider. Een sneeuwlaagje op het ijs is dan het laatste wat een schaatsend mens zich wenst: sneeuw isoleert en houdt de warmte-afgifte juist tegen.
Oppassen
Geen sneeuw? Goed: vriezen maar. De natuurkunde verklaart wat ieder mens op ijzers weet: dat het onder bruggen oppassen is (daar kan het water zijn warmte niet goed wegstralen omdat er een 'dak' boven zit), dat het ijs dichtbij de kant steviger is dan in het midden (dichtbij de kant is de lucht koeler omdat de lucht boven het vasteland sneller afkoelt, en daar groeit het ijs dus beter).
Of er dus een soort formule is voor ijsvorming, nou nee, zegt ook de woordvoerster van het KNMI. 'Er zijn tal van onzekerheden. We weten echt niet of er een schaatsperiode aanbreekt.' Het kan vriezen of dooien.
Bron: AD
Nauwelijks is de temperatuur gaan dalen, of half Nederland slaat aan het ijskansberekenen. Of de schaats al uit het vet kan, het ijs dik genoeg is, de toertocht uitgezet. IJs is lastig. Er zijn computermodellen, precisiemetingen en laboratoriumexperimenten, maar als het om de eenvoudige vraag gaat of we volgende week kunnen schaatsen, staat de wetenschap met een mond vol tanden. En wat is er nu eenvoudiger dan water dat bevriest?
In het Groningse Noord-Laren kan al geschaatst worden.
Watermoleculen
Lag het maar zo simpel, zegt Huib Bakker, hoogleraar ultrasnelle spectroscopie en als expert in watermoleculen werkzaam aan het FOM-instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (Amolf) in Amsterdam. 'Het proces luistert heel nauw en is onderhevig aan allerlei factoren', zegt Bakker, die zelf ook graag schaatst.
Het begint al met het water zelf. Zo heeft water de rare eigenschap dat het het zwaarst is bij 4 graden Celsius, dat is de reden waarom de bodem van een meer altijd zo koud is. Afkoelend water zal zich dus steeds spontaan omroeren, totdat alles 4 graden is: kouder water is weer wat lichter en komt aan de oppervlakte. Dat verklaart waarom diepere sloten lastiger bevriezen dan ondiepe: 'Het water moet helemaal gekoeld worden voordat het kan bevriezen.'
Uitstraling
Bij dat bevriezen draait het allemaal om het kwijtraken van warmte. Door uitstraling - water zal 's nachts wat energie wegstralen in de koude buitenlucht - of doordat het water direct contact maakt met langsstromende lucht: een ijzige wind helpt het bevriezen. Daarna heeft het water een beginnetje nodig. Kleine stofdeeltjes, moleculaire klontjes: iets moet het bevriezingsproces aanjagen, een groeikern waarop zich ijskristallen vormen. Voilà: daar groeit het eerste vliesje ijs.
En dan maar hopen dat het niet gaat sneeuwen. Wil het ijs doorgroeien, dan moet het water onder het ijs warmte blijven afstaan. Dat gaat dwars door het ijs: dat is een redelijke thermische geleider. Een sneeuwlaagje op het ijs is dan het laatste wat een schaatsend mens zich wenst: sneeuw isoleert en houdt de warmte-afgifte juist tegen.
Oppassen
Geen sneeuw? Goed: vriezen maar. De natuurkunde verklaart wat ieder mens op ijzers weet: dat het onder bruggen oppassen is (daar kan het water zijn warmte niet goed wegstralen omdat er een 'dak' boven zit), dat het ijs dichtbij de kant steviger is dan in het midden (dichtbij de kant is de lucht koeler omdat de lucht boven het vasteland sneller afkoelt, en daar groeit het ijs dus beter).
Of er dus een soort formule is voor ijsvorming, nou nee, zegt ook de woordvoerster van het KNMI. 'Er zijn tal van onzekerheden. We weten echt niet of er een schaatsperiode aanbreekt.' Het kan vriezen of dooien.
Bron: AD
Bekijk het van de zonnige kant, de meeste regen valt naast je.
