De natuurkunde van de sneeuwval en het sneeuwdek
Omdat er op veel plaatsen in de Benelux sneeuw valt deze week, inclusief de vorming van een sneeuwdek(je), lijkt het me gepast om wat dieper op de natuurkunde van de sneeuw in te gaan, met de nadruk op de eigenschappen van het sneeuwdek en de duurzaamheid ervan. Bottom line is dat het allemaal niet zo simpel is als het lijkt, dat de natuur vele verrassingen voor ons mensen in petto heeft.
- Volg NoodweerBenelux op X en Facebook
- Blijft up-to-date met livestreams en weervideo’s op Facebook
Dichtheid van de sneeuw
Eerst de sneeuwval en de accumulatie van de sneeuw. De verhouding neerslag-sneeuw is afhankelijk van zowel de temperatuur als de windkracht. Bij krachtiger wind, zoals op 7 februari 2021, worden de vlokken sterker gefragmenteerd en wordt het sneeuwdek compacter dan bij weinig wind.
Bij temperaturen verder onder nul zijn de sneeuwkristallen luchtiger en dus minder compact dan bij smeltsneeuw. Rond of boven nul betreft het nog weleens korrelhagel of korrelsneeuw, die zijn nog een stuk compacter. Dit verband wordt uitgedrukt in afbeelding 1, met dank aan Ben Lankamp.
Aangetekend moet worden dat ook de luchtvochtigheid een grote rol speelt bij accumulatie. Op 16 januari 2021 bijvoorbeeld viel er droge sneeuw bij 1 à 2 graden boven nul, de lage luchtvochtigheid deed de temperatuur tijdens de sneeuwval dalen tot op het niveau van de natte bol temperatuur, die lag op één graad onder het vriespunt (De Bilt). Over dit aspect meer als we ingaan op de fysische eigenschappen van het sneeuwdek.
Fysica van het sneeuwdek: de temperatuur
De sneeuw dooit normalerwijs bij temperaturen boven nul. De praktijk is echter een stuk weerbarstiger dan dit. De energie van de lucht bestaat uit voelbare en latente warmte. De voelbare warmte wordt uitgedrukt in de ‘droge bol temperatuur’, latente warmte wordt manifest in grootheden als de relatieve vochtigheid, de dauwpuntstemperatuur en de natte bol temperatuur.
Met voldoende wind gaat de sneeuw pas dooien als de natte bol temperatuur, zeg maar de temperatuur van een nat oppervlak terwijl deze blootstaat aan verdamping, boven het vriespunt komt. De ‘verdampingstemperatuur’ is pakweg het gemiddelde van de ‘voelbare’ en de dauwpuntstemperatuur.
- Extra uitleg over het dauwpunt
Stijging van de dauwpuntstemperatuur tot boven het vriespunt zorgt voor een immense versnelling van de dooi van het ijs. Een voorbeeld is 12 februari 2017 (zie afbeelding 2): er lag 5 centimeter sneeuw maar vanwege de hoge luchtvochtigheid dooide bij een maximum van slechts +2,6 °C binnen één etmaal bijna alle sneeuw weg (De Bilt).
Bij al deze bespiegelingen de voetnoot dat de luchttemperatuur vlak boven de sneeuw maatgevend is, niet de metingen op 1,5 meter hoogte, die soms aanzienlijk kunnen ‘afwijken’. Voor struiken en bomen zijn de metingen in de weerhut daarentegen het meest representatief. Takken met smeltende sneeuw kunnen vanwege het hoge dauwpunt druppelen terwijl de sneeuw op de bodem weinig of helemaal niet dooit.
Regen- en condensatiesmelt
Het smelten van sneeuw wordt enorm versneld door regenval, plus dat het de klink versterkt. Daar bestaan weinig uitzonderingen op, behalve wanneer de regen onderkoeld is, dan verijst de sneeuw, en bij voldoende neerslag kan er zelfs sprake zijn van een geringe toename van de sneeuwhoogte.
IJzel werkt juist positief uit op de houdbaarheid van het sneeuwdek. De aantasting van sneeuw door de regen geschiedt anders dan misschien wel gedacht, deze wordt veel minder veroorzaakt door de warmteoverdracht van het vocht als wel door de vaak hoge dauwpuntstemperatuur bij vloeibare neerslag.
Condensatie van het latente vocht in de atmosfeer is circa tachtig keer zo efficiënt voor de smelt van sneeuw als de directe overdracht van warmte door het (regen)water. Daaruit volgend doet regenval bij temperaturen vlak boven het vriespunt relatief weinig met de sneeuw omdat het dauwpunt dicht bij nul blijft.
Stralingsdooi
Dan de straling: kortgolvig of langgolvig. Kortgolvig betreft de zonnestraling, direct of diffuus. Langgolvig is de warmtestraling, vanaf de bodem of vanaf met name lage bewolking. Een goed voorbeeld van dat laatste is van afgelopen donderdag, 11 januari 2024. Lage bewolking schoof vanuit het noorden het land binnen, aan de grond bleef het nog tot over het middaguur vriezen. Het vroor een halve graad, desondanks stond er al water op het ijs, zowel op de sloot als op de ijsbaan. De lage bewolking van zee was een paar graden boven nul en diens warmtestraling droeg in belangrijke mate bij aan de dooi van het ijs.
Bodemwarmte
Ook de bodemwarmte is een factor van belang voor de sneeuwbedekking: voor de accumulatie maar ook voor de houdbaarheid. Begin februari 2021 bijvoorbeeld was het eerst zacht geweest voordat het ging sneeuwen. Toen de vorst eroverheen kwam vormde zich van onderaf een ijslaagje onder de sneeuw vanwege de smelt door de bodemwarmte.
Bij sneeuwval bij temperaturen om het vriespunt speelt de bodemtemperatuur een nog grotere rol. Een voorbeeld uit 1985, sneeuwval op een front in de nacht van 26 op 27 december, Bunnik (zie afbeelding 3). De straten en stoepen bleven vrij van sneeuw terwijl zich op het isolerende gras de sneeuw een dikte van circa 5 centimeter bereikte.
Andersom zorgt een koude of beter nog bevroren bodem voor het omgekeerde effect: dan kleuren de straten en stoepen het eerst wit, pas later de grasvelden. Verder maakt de bodemsoort een verschil, kleigrond heeft weer een andere warmtehuishouding dan zandgrond.
Tenslotte is de albedo een factor van belang, asfalt heeft een lage albedo (circa 10%) en absorbeert daarom meer (kortgolvige) straling, verse sneeuw tot wel 90%. Sneeuwval heeft alleen al vanwege diens hoge albedo een voor de accumulatie zichzelf versterkend effect.
Eigenschappen van het sneeuwdek
Een belangrijke en misschien wel de belangrijkste factor bij sneeuwsmelt is de samenstelling van het sneeuwdek. Gaat het om luchtige sneeuw dan is deze vatbaar voor klink en kwetsbaar voor dooi, veel meer dan compacte sneeuw.
Sneeuw onderhevig aan dooi en vorst, eventueel aangesterkt door ijzel of aangevroren regen, is bijzonder resistent tegen dooi. Klink is in zo’n geval ook niet of amper aan de orde. Een goed voorbeeld is de sneeuw van 27 januari 1976, die na een korte dooifase meteen opvroor en tot 7 februari bijna geen klink (en sublimatie) vertoonde en pas dooide toen het dauwpunt boven nul kwam (waarnemingen J. Piekema, 1976).
Sneeuw tenslotte kan ook verijzen door de instraling van de zon terwijl de luchttemperatuur ruim onder nul blijft. Zoiets gebeurde in de exceptioneel koude maart 1945 in Friesland, waardoor het sneeuwdek tot een ijsvlakte werd waar, zonder doorheen te zakken, op kon worden gelopen (Lieuwe Jans de Jong, 14 maart 1845).
Sublimatie
Bij zeer lage temperaturen en luchtvochtigheid en zeker als er wat meer wind staat speelt tenslotte droge verdamping, dus sublimatie, nog een belangrijke rol. Sneeuw die bij die temperaturen valt is luchtig, kan gemakkelijk en snel de straten en velden wit kleuren maar is meestal snel weer verdwenen vanwege de droge verdamping. Een goed voorbeeld is de sneeuwval op de koudeput die op 7 maart jl. over het land trok. Even werd alles wit maar bijna even snel was alles weer weg.
