Waarom kan het sneeuwen bij positieve temperaturen?

Het zijn interessante tijden voor de weerman met regelmatig sneeuw-, vorst en ijzelkansen. Afgelopen week kreeg het overgrote deel van België en Nederland te maken met sneeuwval. Ook deze week is er een grote kans op winterse neerslag, dinsdagnacht en woensdag mogelijk zelfs onder de vorm van sneeuw, ook voor de lager gelegen gebieden. Algemeen wordt sneeuwval geassocieerd met temperaturen onder het vriespunt, maar dit hoeft niet noodzakelijk altijd het geval te zijn.

Op de weerkaarten is te zien dat er regelmatig sneeuwsymbolen staan bij +1 à 2°C. Hoe kan dit? Waarom kan het sneeuwen bij positieve temperaturen? Gastauteur Yoni Verhaegen (klimaat- en gletsjerwetenschapper aan de VUB) zocht het voor ons uit!

Deelnemen aan discussie? Ben je geïnteresseerd om deel te nemen als weeramateur of liefhebber van winterweer aan het weerforum? Onderaan dit artikel krijg je bliksemsnel & gratis toegang tot alle reacties. Je kan ook je eigen weerfoto’s opladen.

• Volg ons ook via Facebook op NoodweerBenelux.
• Op zoek naar mooie weerfoto’s? We zijn ook actief op Instagram.
• Het online weerbericht voor de Benelux vinden jullie op ons Youtubekanaal

Waarom kan het sneeuwen bij positieve temperaturen?

Het grootste deel van België en Nederland kreeg vorige week te maken met sneeuwval. Typisch wordt sneeuwval geassocieerd met temperaturen onder het vriespunt. Ook deze week kan het wel eens gebeuren dat het sneeuwt bij (licht) positieve temperaturen.

De meest simpele uitleg is natuurlijk dat het tijd vergt voor een sneeuwvlokje om volledig te smelten. Die tijd verschilt echter van situatie tot situatie en hangt af van zowel de temperatuur, als van de vochtigheid van de lucht waarin het sneeuwvlokje valt. Dit is ook de reden waarom het kan hagelen in de zomer: zo’n hagelbol is natuurlijk niet op 1, 2, 3 gesmolten. In dit artikel beschrijft Yoni voor ons de thermodynamische processen die zich afspelen wanneer een sneeuwvlokje naar beneden dwarrelt.

Thermodynamische processen bepalen temperatuur

Om te beginnen is het noodzakelijk om te begrijpen dat een thermodynamisch proces dat zich in de natuur afspeelt altijd zal streven naar een evenwicht. Net zoals bijvoorbeeld in de atmosfeer lucht van een hoge- naar een lagedrukgebied zal bewegen, is dit ook zo met stromen van kinetische energie (van hoge naar lage temperatuur) en waterdamp (van hoge naar lage vochtigheid).

Wanneer een sneeuwvlokje, met aan diens oppervlak temperaturen rond het vriespunt en een relatieve vochtigheid van 100%, bijvoorbeeld naar beneden valt in lucht met een warmere temperatuur dan dat sneeuwvlokje zelf, warmt de omringende lucht in direct contact met dat vlokje op, net als de oppervlakte van dat vlokje zelf.

Klinkt logisch natuurlijk, maar de wetenschappelijke term voor dit proces is conductie: de warmere lucht zal het sneeuwvlokje proberen opwarmen omdat er een temperatuurgradiënt bestaat tussen de oppervlakte van het sneeuwvlokje en de omgevingslucht, iets wat omvat zit in de wet van Fourier.

Hoe hoger het temperatuurverschil tussen beide, hoe sterker die opwarming gebeurt. Door die opwarming zal het sneeuwvlokje proberen smelten, maar hoe snel die smelt begint en/of plaatsvindt, hangt af van de luchtvochtigheid. Het is namelijk zo dat, net zoals voor temperatuur, er echter ook een flux van waterdamp bestaat: een deeltje met een hoge vochtigheidsgraad (het oppervlak van het sneeuwvlokje) zal ervoor zorgen dat er via diffusie een stroom van waterdamp opgewekt wordt naar de omgeving, indien de lucht er rond veel droger is.

De omgeving probeert met andere woorden vocht te onttrekken aan het sneeuwvlokje om de vochtigheidsgraad in de lucht zelf te laten toenemen, een proces dat dus naar een evenwicht streeft en beschreven wordt door de wet van Fick. Dit proces heet evaporatie (indien van de vloeibare fase naar gas) of sublimatie (indien van de vaste fase naar gas) en dat kost dan weer warmte, waardoor het oppervlak van het sneeuwvlokje en de omringende lucht in direct contact met dat vlokje opnieuw zal afkoelen.

Het onttrekt namelijk energie (warmte) aan de omgeving. Ook hier geldt weer: hoe sterker de vochtigheidsgradiënt, hoe groter bijbehorende stroom door het verschil in waterdampdruk, en dus hoe groter de afkoeling van de lucht die het sneeuwvlokje omringt.

Trade-off tussen conductie en diffusie

Er zal zich dus een trade-off instellen tussen opwarming van het sneeuwvlokje door conductie van kinetische energie (temperatuur) en afkoeling door diffusie van waterdamp. Wanneer de afkoeling sterker is dan de opwarming, zal het sneeuwvlokje slechts traag verdwijnen en kan het de grond bereiken vooraleer het volledig weggesmolten is, zelfs bij positieve temperaturen.

In een luchtlaag met een relatieve vochtigheid van 100% vindt die flux van waterdamp naar de omringende lucht niet plaats wegens het ontbreken van de waterdampdrukgradiënt, waardoor het vlokje dus niet kan afkoelen door diffusie en het smeltproces meteen begint bij een temperatuur groter dan 0°C.

Er zijn dus twee belangrijke variabelen die spelen: de temperatuur en luchtvochtigheidsgraad van de lucht. Hoe warmer en vochtiger de lucht, hoe minder kans er is dat een sneeuwvlokje de grond bereikt. Andersom, in koude en droge lucht houdt het sneeuwvlokje langer stand en kan het onder die vaste vorm het oppervlak bereiken. Deze theoretische beschrijving kan ook beschreven worden in een wiskundige formule die geplot is in onderstaande grafiek:

Combinaties van temperatuur en luchtvochtigheid die zich onder de zwarte lijn bevinden, leveren dus met zeer grote kans sneeuw op. Indien de combinatie op de rode, blauwe of groene lijn ligt, neemt die kans echter snel af. Als de temperatuur 1.5°C hoger ligt dan de zwarte lijn is die kans bijvoorbeeld al gedaald richting 10%, omdat het sneeuwvlokje netto meer opwarmt via conductie van kinetische energie (temperatuur) dan het verliest via diffusie van waterdamp.

Dus: hoe droger de lucht, hoe warmer het mag zijn om de neerslag als sneeuwvlokken de grond te laten bereiken. Theoretisch kan het zelfs sneeuwen bij een temperatuur van +7°C indien de luchtvochtigheid 20% is! Dit komt echter (bijna) nooit voor omdat wolkenvorming, laat staan neerslag, bij zulke lage luchtvochtigheid wel heel moeilijk tot stand komt.

Er moet wel opgemerkt worden dat, indien de temperatuur boven het vriespunt stijgt, er geen enkele parameter of vergelijking met 100% zekerheid kan zeggen dat de neerslag effectief als sneeuw zal vallen. Er spelen namelijk ook andere processen nog een rol, denk maar aan de temperatuur en luchtvochtigheid op grotere hoogte die ook het sneeuwvlokje kunnen beïnvloeden, de microfysische structuur van de sneeuwvlok en neerslagafkoeling.

Het is namelijk zo dat, net als bij sublimatie/evaporatie, ook het smelten van sneeuwvlokken zelf, alsook een sterke downdraft, bij intense neerslag de omringende lucht opnieuw kan afkoelen, waardoor de regen weer kan overgaan in sneeuw. Of de sneeuw die valt bij positieve temperaturen ook blijft liggen, is maar de vraag. Vaak is het echter zo dat de grond te warm is om de sneeuw in stand te houden, waardoor deze bij contact toch meteen weer wegsmelt. Of het ook deze week tot een sneeuwdek komt in de lager geleden gebieden valt nog af te wachten, maar de kans bestaat in ieder geval wel!