“Zwaar water” verbetert weersvoorspelling: vooral nuttig bij hevige regenval

Weermodellen houden rekening met water en waterdamp, dat kan zelfs een kind bedenken. Maar er is meer aan water dan je op het eerste zicht zou zeggen. Water kan ook zwaarder zijn, omdat er zoiets bestaat als ‘isotopen’, zwaardere versies van chemische elementen. Volgens nieuw onderzoek kunnen we het weer beter voorspellen als we rekening houden met het bestaan van ‘zwaar water’. Wat is zwaar water en welke rol speelt het in weersvoorspelling? Duik mee met ons in deze fascinerende fysica-topic.

• Weerliefhebber: volg ons via X en Facebook
• Volg de interessante weerberichten op YouTube
• Bekijk zelf de weerkaarten op onze website

Weermodellen worden continu beter, dankzij krachtigere computers, nieuwe satellieten en steeds grotere hoeveelheden waarnemingen. Maar weersvoorspelling blijft hoe dan ook complex. Het is overgeleverd aan een immens scala aan moeilijk controleerbare variabelen. Zwaar water is daar een van.

Betere weermodellen dankzij zwaar water?

In een nieuwe studie gepubliceerd in Nature tonen Japanse onderzoekers aan dat zwaar water, een tot nu toe nauwelijks gebruikt gegeven, de weersverwachting danig kan optimaliseren. Daarbij bekeken ze de isotopensamenstelling van waterdamp in de atmosfeer. Die zou vooral bij het voorspellen van zware regenval extra waardevol zijn.

De onderzoekers verwerkten satellietmetingen van waterisotopen in een weermodel. Ze gebruikten daarvoor metingen van de Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, die zich aan boord bevindt van een MetOp-weersatelliet die om de polen draait.

Rekening houdende met de waterisotopen konden voorspellingen van temperatuur, wind en vochtigheid worden verbeterd. Het positieve effect bleef in de experimenten tot ongeveer vijf dagen vooruit zichtbaar.

Wat is zwaar water?

Water in de atmosfeer bestaat vrijwel volledig uit ‘gewone’ watermoleculen. Die zijn op hun beurt opgebouwd uit twee waterstofatomen en één zuurstofatoom. Een klein deel van watermoleculen is zwaarder. Dat komt doordat sommige moleculen een zwaarder isotoop van waterstof of zuurstof bevatten.

Een zwaarder waterstofatoom bevat dan een neutron terwijl er normaal geen neutron is. Dan spreekt men van deuterium en de watermolecule heet dan dideuteriumoxide. Of zwaar water in spreektaal.

Vingerafdruk van water

Voor meteorologen is vooral relevant dat deze zwaardere moleculen zich een klein beetje anders gedragen dan gewoon water. Tijdens verdamping en condensatie verandert daardoor de verhouding tussen lichte en zware watermoleculen. Die verhouding fungeert als een soort natuurlijke vingerafdruk.

• Isotopen worden in tal van studies gebruikt: o.a. om de stuiptrekkingen van de AMOC in kaart te brengen.

Herkomst van water

Zo bevat de isotopensamenstelling informatie over de herkomst van vocht en over de processen die het water onderweg heeft doorgemaakt.

Gewone metingen van de luchtvochtigheid vertellen vooral hoeveel waterdamp ergens aanwezig is. Isotopen en zwaar water geven daarnaast aanwijzingen over de geschiedenis van dat vocht.

Dat is belangrijk, omdat twee luchtmassa’s met ongeveer dezelfde luchtvochtigheid een heel verschillende oorsprong kunnen hebben. De ene kan bijvoorbeeld vocht boven een warme oceaan hebben opgenomen. Een andere kan al meerdere cycli van condensatie en neerslag hebben doorgemaakt.

• Bodemvocht en hoe we die meten.

Satellieten detecteren zwaar water

Satellieten kunnen verschillen in de hoeveelheid waterisotopen op grote schaal meten, onder meer op ongeveer vier kilometer boven het aardoppervlak.

De onderzoekers combineerden grote aantallen waarnemingen over perioden van zes uur. Vervolgens werden de gegevens met ‘data-assimilatie’ in een weermodel opgenomen. Dat is dezelfde algemene techniek waarmee meteorologische diensten waarnemingen van bijvoorbeeld weerstations, satellieten, vliegtuigen en weerballonnen verwerken om de begintoestand van een weersverwachting zo nauwkeurig mogelijk vast te leggen.

• Meer over soorten mist.

Juist die begintoestand is cruciaal. Sowieso is de begintoestand geen perfecte weergave maar een benadering van de werkelijkheid, hoe nauwkeurig ook. Kleine fouten in de beschrijving van de atmosfeer kunnen tijdens een weersvoorspelling de pan uit swingen, als een rollende sneeuwbal die steeds groter wordt.

Hoe meer informatie over de begintoestand, hoe beter dus. Precies die extra informatie over waar vocht vandaan komt en hoe het is getransporteerd, kan een weermodel helpen de werkelijke toestand van de atmosfeer nog beter te benaderen.

Vooral winst bij zware regen

Volgens de onderzoekers verbeterde het toevoegen van de isotopenmetingen niet alleen de berekeningen van waterdamp. Ook voorspellingen van onder meer wind en temperatuur varen er wel bij. Uiteindelijk werkte dat door in de weersverwachtingen voor de daaropvolgende dagen, en meerbepaald, vijf dagen.

• Extreem weer in het Middellandse Zee-gebied door warm zeewater.

Vochttransport nauwkeuriger in beeld

Een frappant resultaat was dat de voorspellingen van zware regenval opvallend beter waren. Juist daar maakt een nauwkeuriger beeld van vochttransport een groot verschil. Extreme neerslag hangt immers niet alleen af van de hoeveelheid vocht. Ook de reisweg die vochtige lucht heeft afgelegd, de verticale bewegingen in de atmosfeer en de processen waarbij waterdamp condenseert, zijn bepalend. Vooral bij dit laatste gedraagt zwaar water zich anders dan gewoon water en treden verschillen op, die beter niet over het hoofd worden gezien.

• De herkomst natrekken van atmosferische rivieren zou cool zijn.

Nog niet in het dagelijkse weerbericht

We gaan binnenkort nog niet kunnen genieten van de voordelen van isotopenmetingen in ons dagelijkse weerbericht. Dat is nog toekomstmuziek. Er zijn nog belangrijke praktische obstakels. De isotopendata zijn nog niet goed in real-time beschikbaar. De reeds gebruikte weermodellen kunnen informatie met betrekking tot zwaar water nog niet meteen integreren. Er is nog werk aan de winkel om de enorme massa’s aan gegevens te verwerken en onzekerheden aan te pakken, alvorens isotopenmetingen standaard in een weermodel worden opgenomen.

Toch is de studie veelbelovend. Satellieten worden goedkoper en sensoren steeds nauwkeuriger. Daardoor kan het in de toekomst haalbaar worden om de isotopensamenstelling van atmosferische waterdamp en wolken aan de lopende band op te volgen en er iets mee te doen.

Voor weersverwachtingen zou dat een nieuwe dimensie betekenen. Meteorologen weten dan niet alleen hoeveel vocht er in de lucht zit, maar krijgen ook meer informatie over waar dat water vandaan komt en wat het allemaal heeft meegemaakt. Die atmosferische ‘vingerafdruk’ kan uiteindelijk helpen om vooral zware neerslag eerder en nauwkeuriger te voorspellen. Dat is zeker geen overbodige luxe in het grillige klimaat waar we nu al mee te maken krijgen.