Hoe ontstaan wolken?

Wolken, ontstaan door condensatie van waterdamp in verzadigde lucht, kunnen de verschillende stromingen in de atmosfeer vaak op een prachtige manier weergeven. Echter, wanneer je ‘s avonds na een warme en klamme zomerdag ineens imposante wolkenformaties ziet opdoemen, sta je er vaak niet bij stil wat voor interessante en complexe processen hier verantwoordelijk voor zijn. De vorming van wolken is namelijk véél meer dan alleen maar condensatie van waterdamp.

Imposante wolkenformaties die vaak ontstaan na een warme zomerdag. Bij het ontstaan van deze wolken gaan er veel complexe processen aan vooraf. (Simo Räsänen, Wikipedia)

Oververzadiging met én zonder areosolen

Het basisproces van wolkenvorming is uiteraard de faseverandering van gasvormig water (waterdamp) naar vloeibaar water (wolkendruppel) door afkoeling van oververzadigde lucht. Er is sprake van oververzadiging als de relatieve luchtvochtigheid boven de 100% uitkomt. Een oververzadiging van 1% betekent dus een relatieve vochtigheid van 101%.

De relatieve luchtvochtigheid wordt in stand gehouden door twee processen: condensatie en verdamping. Bij verzadiging van de lucht zijn deze twee processen in evenwicht en is de verzadigde dampdruk bereikt. Met dampdruk wordt de druk, die wordt uitgeoefend door een gas of damp, bedoeld.

Bij verzadiging (saturation) is er sprake van een evenwicht: de snelheid van condensatie is gelijk aan de snelheid van verdamping. Redina L. Herman (Western Illinois University) & Frode Stordal (University of Oslo)

De benodigde oververzadiging voor de vorming van wolkendruppels is afhankelijk van zogenoemde aerosolen (kleine stof- en vloeistofdeeltjes), deze aerosolen dienen namelijk als condensatiekernen. Deze kernen houden de oververzadiging in de lucht meestal onder de 1% doordat er bij vochtige, koude lucht waterdamp op deze deeltjes zal condenseren en de hoeveelheid waterdamp in de lucht dus wordt gereduceerd. In luchtmassa’s zonder aerosolen zal er een veel hogere vochtigheid nodig zijn om wolkendruppels te vormen dan in lucht mét aerosolen.

Tegenwerkende processen van groei en verdamping

Een wolkendruppel is pas stabiel als het een bepaalde grootte heeft overschreden. Als de wolkendruppel te klein is, zal deze weer snel verdwijnen door verdamping. Twee tegenwerkende processen zijn verantwoordelijk voor deze kritische grootte.

Ten eerste kan de benodigde vochtigheid verlaagd worden door een oplosbare stof in het water. Deze stofdeeltjes in de atmosfeer worden hygroscopische kernen genoemd. De moleculen van de opgeloste stof verminderen de verdamping aan het wateroppervlak.

Het gevolg is een aanzienlijke verlaging van de verzadigde dampdruk van de druppel, waardoor deze bij een veel lagere vochtigheid nog stabiel kan zijn ten opzichte van zijn omgeving. Hoe kleiner de druppel is, hoe groter de concentratie van de opgeloste stof is en hoe lager de benodigde luchtvochtigheid dan bedraagt om te groeien. Dit effect wordt ook wel het Raoult-effect genoemd.

Het tweede proces heeft te maken met de straal van de wolkendruppel. Wanneer de straal van de druppel klein is, is het aantal moleculen nabij het oppervlak van de druppel ook klein. Het gevolg is dan dat een watermolecuul minder attractie (aantrekking) ondervindt van andere watermoleculen en dus makkelijker verdampt. Op deze manier ontstaat er een hogere verzadigde dampdruk en is de benodigde relatieve vochtigheid voor de druppel om te blijven bestaan dus ook groter. Dit effect wordt het Kelvin-effect genoemd.

Te zien is dat bij een gekromd oppervlak watermoleculen minder aantrekking ondervinden van andere moleculen. Het gevolg is een verhoogde, verzadigde dampdruk en dus dient de luchtvochtigheid ook hoger te zijn om de wolkendruppels in stand te houden. (Adrian Tompkins, 2016)

De curve van Köhler

Wanneer we deze twee effecten combineren, ontstaat de zogenoemde curve van Köhler. In deze curve is de oververzadiging weergegeven waarbij een wolkendruppel van bepaalde grootte in evenwicht is met de omgeving. Het feit dat de grafiek naar beneden afbuigt bij kleinere diameters, impliceert dat het effect van opgeloste stof hier het belangrijkst is.

Bij een grotere straal neemt immers de concentratie opgeloste stof af, aangezien er dan meer water aanwezig is. Hoe verder de straal toeneemt, hoe belangrijker het effect van kromming wordt. Bij een bepaalde grootte vertoont de grafiek van Köhler een maximum. Op dit punt wordt de straal ook wel de kritische straal genoemd, met een bijbehorende kritische oververzadiging.

Köhler-curve: de oververzadiging (in procenten) weergegeven als functie van de straal (in micrometers) van de wolkendruppel. De groene lijn geeft de kritische straal aan. (ScienceDirect, ‘International Journal of Greenhouse Gas Control’, Volume 41)

Bij een bepaalde oververzadiging van de omgevingslucht zullen hele kleine druppels zich bevinden in een voor hen oververzadigde omgeving. Het gevolg is dat deze druppels zullen groeien tot hun benodigde vochtigheid even hoog is als de vochtigheid van de omgeving. De iets grotere druppels hebben een grotere oververzadiging nodig dan die de omgeving te bieden heeft. Deze druppels zullen deels verdampen en in grootte afnemen. Wolkendruppels met een straal groter dan de kritische straal zijn onstabiel en zullen verder groeien.

Waar ontstaan wolken?

Om lucht dusdanig af te laten koelen, met als gevolg oververzadiging en condensatie van waterdamp, zijn stijgende luchtbewegingen nodig. Deze verticale bewegingen in de atmosfeer hebben verschillende oorzaken:

  • Bij depressies hebben warme en vochtige luchtmassa’s de neiging om op te glijden tegen de koude luchtmassa’s. Stratiforme bewolking, vaak dik en uitgestrekt van karakter, zal ontstaan.
  • Wanneer de atmosfeer onstabiel van opbouw is, ontstaan er vaak sterke stijgingen over kleine gebieden. Bij een effectieve opwarming overdag kunnen luchtbellen namelijk warmer worden dan de omgeving met als gevolg een snelle stijging van luchtmassa’s en condensatie van waterdamp. Deze wolken kenmerken zich juist vaak door scherpe begrenzingen en strekken zich veelal verticaal uit. Ze worden cumuliforme wolken genoemd en komen relatief vaak in de zomer voor.
  • Orografie veroorzaakt ook gedwongen stijging van luchtmassa’s. Dit vindt veelal in de Alpen plaats en veroorzaakt de bekende föhnbewolking.

Hoe ontstaan wolken? Conclusie!

Samengevat is wolkenvorming een belangrijk, maar uiterst ingewikkeld proces binnen de meteorologie. De volgende keer is het gegarandeerd onvermijdelijk om bij het observeren van indrukwekkende wolkenstructuren nog eens terug te denken aan de complexe vorming hiervan.


Lees ook eens: