Meteorologie: Weersystemen

De complexiteit van het weer

Een gezegde luidt: ‘De vleugelslag van een vlinder kan een storm doen ontstaan.’ In hoeverre deze uitspraak een absolute waarheid is valt te bezien, maar feit is wel dat ‘het weer’ beinvloed wordt door tal van bekende en onbekende factoren. Is het u wel eens opgevallen dat het in het Rotterdamse Havengebied vaker regent dan in Zeeland of het Waddengebied? Dat komt omdat zich boven de Rijnmond door de industrie een hogere concentratie fijnstof bevindt waar waterdamp zich eerder aan hecht. En omdat het water rond de Zeeuwse en Zuid-Hollandse eilanden en de Waddenzee stabieler zijn van temperatuur en bij zonneschijn minder damp en wolken in de lucht veroorzaken. Zo complex is ‘het weer’.

Het weer in West-Europa

Het weer in west-Europa wordt in belangrijke mate beïnvloed door het stabiele hogedrukgebied boven de Azoren, het ‘Azoren-Hoog’. Dit hogedruk weersysteem wordt vrijwel permanent in stand gehouden door een drietal ‘cellen’, gebieden met permanent opstijgende warme lucht en neerdalende koelere of koudere lucht. Tussen de evenaar en de Noordpool bewegen zich drie van deze ‘cellen’, van de 0 graden parallel (de evenaar) tot de 30e breedtegraad de ‘Hadley-cel’, tussen de 30e en de 60e breedtegraad de ‘Ferell-cel’ en tussen de 60e en de 90e breedtegraad (de Noordpool) de ‘Polaire cel’.

Hadley-cel

Een massa lucht die wordt verwarmd krijgt een groter volume en stijgt op. Rond de evenaar wordt de aarde het meest verwarmt door de zon, de gebieden rond de evenaar zijn het dichtst bij de zon en kennen verhoudingsgewijs de langste dagen met het meeste zonlicht. Waardoor er bij de evenaar sprake is van opstijgende warme lucht. Deze lucht beweegt zich bovenin de dampkring tot ongeveer de 30e breedtegraad. Opstijgende lucht doet een lagedrukgebied ontstaan, dalende luchtmassa’s een hogedrukgebied.

Polaire-cel

In het polaire gebied gebeurd iets vergelijkbaars: de gebieden rond de 60e breedtegraad zijn warmer dan het gebied rond de 90e breedtegraad, de Noordpool, waarbij ook de Warme Golfstroom van invloed is: de Noorse fjorden bijvoorbeeld vriezen nooit dicht vanwege de Warme Golfstroom. Maar de Noordpool is het verst van de zon verwijderd. Luchtmassa’s rond de 60e breedtegraad stijgen door verwarming op, veroorzaken lagedrukgebieden, en dalen neer rond de Noordpool, het ‘Polaire hogedrukgebied’ veroorzakend.

Ferrel-cel

Tussen de ‘Hadley-cel’ en de ‘Polaire-cel’ bevindt zich dan de ‘Ferrel-cel’ waarbij de beweging van de luchtmassa’s tegengesteld is aan die van de andere twee cellen. Rond de 30e breedtegraad is er sprake van dalende luchtmassa’s die de dalende luchtmassa’s van de ‘Hadley-cel’ ontmoeten. Rond de 60e breedtegraad zijn er stijgende luchtmassa’s parallel aan de luchtmassa’s van het Polaire systeem.

Van links naar rechts de ‘klimaatzones’ en de ‘cellen’ welke semistabiele hoge- en lagedrukgebieden in stand houden over de breedten tussen de polen en de evenaar.

Azoren Hoog

De Portugese eilandengroep de Azoren bevinden zich op de 38e breedtegraad, globaal daar waar de ‘Hadley-cel’ en de ‘Ferrel-cel’ elkaar ontmoeten met luchtmassa’s in een neergaande en daarmee een luchtdruk opbouwend weersysteem. De luchtmassa’s worden als het ware als bergen van lucht opgestapeld. Een hogere luchtdruk doet wolken oplossen en doet zonnige perioden ontstaan.

Het Azoren Hoog wordt dan ook semi-stationair genoemd, in de zomer van het Noordelijk halfrond ligt de kern van het hogedrukgebied rond de 35e breedtegraad en in de winter rond de 30e breedtegraad. Soms bereidt het Azoren Hoog zich uit richting West-Europa met in de zomer uitzonderlijk zonnig en warm weer tot gevolg, en in de winter mist. Maar desalniettemin een rustige stabiele atmosfeer. De gemiddelde luchtdruk van het Azoren Hoog bedraagt 1024 millibar. Vergelijkbare hogedrukgebieden rond dezelfde breedtegraden zijn het Californië Hoog en het Bermuda Hoog.

‘Doldrums’

Rond de evenaar wordt de aarde het meest verwarmd waarbij de opstijgende luchtmassa’s zich dan ook volop voordoen. Rond de evenaar bevinden zich ook de grote watermassa’s van de oceanen, de Atlantische Oceaan en de Pacific. Door de opstijgende luchtmassa’s is er rond de evenaar (en daarmee de tropische gebieden) sprake van relatief lage luchtdruk maar ook van hoge luchtvochtigheid. De randen van hogedrukgebieden van het Noordelijk- en het Zuidelijk halfrond ontmoeten elkaar rond de evenaar met soms wekenlange windstilten als gevolg. Zeilschepen en -jachten konden en kunnen in de Doldrums wekenlang wachten op wind. Om gek van te worden … Maar tegelijk doen zich rond de evenaar de grote stapelwolken voor met zware neerslag en onweersbuien vanwege de hoge luchtvochtigheidsgraad.

‘Paardenbreedten’

Vergelijkbare omstandigheden doen zich voor rond de 30e breedtegraden van het Noordelijk- en het Zuidelijk halfrond, waar de ‘Hadley-cel’ en de ‘Ferrel-cel’ elkaar ontmoeten. Het zijn de subtropische hogedrukgebieden die zich kenmerken door overwegend droog en zonnig weer met weinig wind, waar de zeilvaart in voedsel- en drinkwatervoorraden degelijk reken8mg mee moest houden.

‘Passaatwinden’

Ten noorden van de evenaar waait de ‘Noordoostelijke passaat’, ten zuiden van de evenaar de ‘Zuidoostelijke passaat’. Deze krachtige en bestendige wind staat er op een halve tot twee kilometer boven het aardoppervlak met een windsnelheid van twintig tot dertig kilometer per uur maar is zeker op zeeniveau merkbaar. Passaatwinden ontstaan door de temperatuurverschillen tussen de gebieden rond de evenaar en de subtropische gebieden (zie de ‘Hadley-cel’) en het draaien van de aarde. Noordelijk van de evenaar waait de Passaat uit het noordoosten, zuidelijk van de evenaar uit het zuidoosten.

Coriolis-effect

De atmosfeer rondom de aarde is te bezien als een massa lucht rondom de aarde, evenals met de watermassa’s van de aarde en de vloeibare aardkern in het midden van de aarde deel uitmakend van de aarde, zich bewegende door het heelal rondom de zon. Alles in, op of rond de aarde is daarmee in beweging, ook iets dat ogenschijnlijk stil staat ten op zachte van de aarde beweegt door het heelal, terwijl de aarde zich om een denkbeeldige aardas beweegt. Waarbij het verschil maakt waar iets of iemand op aarde zich bevindt. Ter illustratie: iets of iemand op de evenaar beweegt zich met een snelheid van 1666,66 kilometer per uur rond de aardas. (40.000 km/24 uur) iets of iemand op de geografische Noord- of Zuidpool draait heel langzaam een rondje om zijn of haar eigen as, blijvende op dezelfde plaats.

Vanuit de natuurkunde wordt gesteld dat er kracht nodig is om een beweging tot stand te brengen, in stand te houden, of tot stilstand te brengen. Luchtmassa’s rondom de aarde ondervinden die krachten ook. Een luchtmassa rondom de evenaar beweegt zich ‘met de draaiende aardbol mee’ met een snelheid van 1666.66 km/uur rondom de denkbeeldige aardas. Noordelijker en zuidelijker dan de evenaar bewegen deze luchtmassa’s met een geringere snelheid ten opzichte van de aardas. Ten noorden en ten zuiden van de evenaar worden de voortdurende Pasaatwinden geconstateerd, respectievelijk vanuit noordoostelijke – en zuidoostelijke richting.

Verklaard vanuit de natuurkunde: het versnellen, in stand houden en afremmen van een beweging vraagt kracht, anders beredeneerd, een snelheid is het resultaat van een kracht. Aan de polen zijn de snelheden en daarmee de krachten geringer dan aan de evenaar. Hoe dichter bij de evenaar, hoe groter de krachten. Rondom de evenaar beweegt de atmosfeer zich niet met gelijke snelheid met de aarde mee, maar vertraagd. Het afbuigen van de windrichting zoals bij de Passaatwinden wordt toegeschreven aan deze vertraging, genoemd het ‘Coriolis-effect’. De atmosfeer rondom de rondwentelende aarde (maar ook de wateren van de aarde) ondervinden een richting veranderende kracht, afhankelijk van de breedte op aarde en daarmee de bijbehorende omwentelingssnelheid.

De krachtlijnen langs de aardbol die het Coriolis-effect verklaren.

Hoge – en lagedrukgebieden

Bij Hogedrukgebieden heeft er een ‘opeenhoping’ van luchtmassa plaatsgevonden, anders gezegd, een berg van lucht, op land- en zeeniveau meetbaar als een ‘hoge luchtdruk’. De ‘luchtberg’ van een hogedrukgebied wil onder invloed van de zwaartekracht (ook lucht heeft een gewicht) inzakken. Vanuit de kern ofwel het midden van een hogedrukgebied willen de luchtmassa’s zich naar buiten bewegen, bij het middengebied vandaan om de aanwezige hoge luchtdruk te vereffenen met omgevende lage drukken. Waarbij geconstateerd wordt dat de luchtmassa’s van een hogedrukgebied zich niet rechtlijnig naar de randen begeven maar in een waaier- of spiraalvorm naar buiten. Bij lagedrukgebieden bewegen de winden zich in een waaiervorm naar binnen.

Bij hogedrukgebieden zijn de ‘luchtmassa’s’ groter dan bij lagedrukgebieden. Vanuit de natuurkunde wordt gesteld dat hoe groter de massa, hoe meer kracht er nodig is om te versnellen, in stand te houden of te vertragen. Ter illustratie: een trein met goederenwagons en een fietser bewegen zich beiden gelijktijdig met een snelheid van 25 km/uur. Het zal niemand verbazen dat de trein niet gestopt kan worden met de remblokjes van de wielrenner. En stel dat de remmen van het treinstel op de fiets zouden zijn gemonteerd. De wielrenner zal de 25 km/uur alleen met heel veel moeite behalen …

Zo is het ook met de hogedrukgebieden met hun grotere massa (gewicht) dan de lagedrukgebieden. Het Corioliseffect brengt de (zwaardere) hogedrukgebieden op het noordelijk halfrond in een rechtsom draaiende beweging en op het zuidelijk halfrond in een linksom draaiende beweging. Als ware het de ‘zwaardere wielen’ kunnen zij de ‘lichtere wielen’ van de lagedrukgebieden in een tegengestelde beweging brengen. Een verklaring waarom de wind in een depressie (lagedrukgebied) op het noordelijk halfrond een linksom gebogen richting vertoont.

Een hoge- en een lagedrukgebied naast elkaar, waarbij inzichtelijk wordt hoe de windrichtingen in de gebieden zich tot elkaar verhouden als gevolg van het Coriolis-effect.

Misverstand

Er wordt wel eens beweerd dat de afvoerputjes van de gootstenen op het noordelijk halfrond linksom, en op het zuidelijk halfrond rechtsom leeg zouden lopen. Een aardige theorie maar niet bewijsbaar, daarvoor is de afstand tussen het ‘noorden en het zuiden van de wasbak’ te gering. Bij menig douchebak bevindt de afvoer zich ook niet in het midden maar in de hoek wat eventuele ‘proeven’ ook weer zouden beïnvloeden. Maar hoe dan ook, het is een aardige veronderstelling.

Hogedrukgebied

Een hogedrukgebied aangegeven door middel van ‘isobaren’. Hoe dichter de isobaren bij elkaar liggen en hoe groter de onderlinge drukverschillen, des te krachtiger de wind. Bij hogedrukgebieden verlopen de isobaren veelal geleidelijker en stabieler dan bij lagedrukgebieden. Door het Coriolis-effect buigt de richting van de windrichting op het noordelijk halfrond met de wijzers van de klok mee. Deze weergave gaat uit van een hogedrukgebied op het noordelijk halfrond. Op het zuidelijk halfrond zou de windrichting van een ‘hoog’ linksom zijn.

Lagedrukgebieden en depressies

Lagedrukgebied

Een lagedrukgebied, de naam zegt het al, is een gebied op aarde waar de luchtdruk geleidelijk naar het midden van het gebied afloopt. Een lagedrukgebied kan daarbij een oppervlakte beslaan en een omtrek hebben van duizenden kilometers. Hoe dichter de ‘isobaren’, lijnen met gelijke luchtdruk bij elkaar liggen, hoe sterker de wind in dat gebied. Waarbij ook geldt: hoe groter de onderlinge luchtdrukverschillen van de isobaren, eveneens hoe krachtiger de wind. Zonder het ‘Coriolis-effect’ zou ‘ in theorie’ het lagedrukgebied vollopen met lucht lijnrecht van buiten direct naar het midden. Het ‘Coriolis-effect’ verklaard waarom de lijnen als een waaier om het centrum van het lagedrukgebied lopen. Dikwijls ligt er een langzaam bewegend lagedrukgebied ten noordwesten van Engeland en Schotland of ten Zuiden van IJsland boven de Atlantische Oceaan. Dit verklaard waarom Nederland regelmatig te maken heeft met een Zuidwestelijke windrichting, Nederland bevindt zich dan zuidelijk van het lagedrukgebied. Wanneer dat lagedrukgebied zich beweegt naar het noorden van Scandinavië kan dat leiden tot een Noordwestelijke wind boven de Noordzee.

Een gewoon Lagedrukgebied aangegeven door middel van ‘isobaren’. Hoe dichter de isobaren bij elkaar liggen en hoe groter de onderlinge drukverschillen, des te krachtiger de wind. Door het Coriolis-effect buigt de richting van de wind om. Deze weergave gaat uit van een lagedrukgebied op het noordelijk halfrond. Op het zuidelijk halfrond zou de windrichting met de wijzers van de klok mee zijn, rechtsom.

Fronten

Een ‘front’ is een scheiding tussen twee luchtsoorten, en kan zich uitstrekken van het aardoppervlak tot aan de tropopauze, de overgang van de troposfeer naar de stratosfeer. De tropopauze ligt op een hoogte van 10 kilometer in de poolstreken tot 20 kilometer in de tropen. Tot aan de tropopauze neemt de temperatuur af met ongeveer 6,5 graden Celcius per 1000 meter hoogtetoename, in de stratosfeer neemt de temperatuur weer toe op grotere hoogten. De tropopauze is dan ook het overgangsgebied tussen een negatieve temperatuurgradiënt (hoe hoger boven het aardoppervlak, hoe lager de temperatuur) en een positieve temperatuurgradiënt (bij het opstijgen klimt ook de temperatuur).

Warmtefront en koudefront

Bij een ‘warmtefront’ is er sprake van een warme luchtlaag die zich beweegt naar een koelere of koudere luchtlaag, bij een ‘koudefront’ is het tegenovergestelde gaande, dan beweegt zich een koude luchtlaag richting warmere luchtlagen.

Frontale depressie

Een krachtig lagedrukgebied ontstaat bij een ‘frontale depressie’, waarbij warme- en koude luchtlagen in de atmosfeer elkaar verdrijven en verdringen. Warme lucht stijgt altijd op vanwege het lagere soortelijke gewicht. Koude lucht wil dalen vanwege het zwaardere soortelijke gewicht.

Bij zowel een warmtefront als een koudefront zijn de bovenlagen warm en de onderlagen koud. Wanneer een ‘koudefront’ in aanraking komt met een warme luchtlaag, dan zal de koude lucht onder de warme luchtlaag kruipen. Wanneer een ‘warmtefront’ aanstroomt tegen een koude luchtlaag, dan zal deze over de koude luchtlaag omhooggestuwd worden en over de koude laag heen glijden.

Een depressie met warm- en koudefront

Fronten gaan gepaard met wolkvorming en neerslag in de gebieden voor een front uit, en in de ‘troglijn’ van een front. Waarbij in de ‘troglijn’ een ‘windshift’, een verandering van windrichting (op het noordelijk halfrond ruimen van de wind) en een toename van de windkracht optreed, gepaard gaande met heldere luchten waarbij de zon doorbreekt.

Koudefront, de koude lucht ‘kruipt’ onder de warme luchtlaag.

Het opstijgen van de warme lucht zal een lagere druk boven het aardoppervlak veroorzaken. De ‘leegte’ die de opstijgende warme lucht doet ontstaan wil opgevuld worden, de luchtdruk daalt en vaak ook de temperatuur, waarbij de luchtvochtigheid in de depressie toeneemt. Meestal ontstaan in beide gevallen wolken en regen, bij een warmtefront dat over een koudere luchtlaag heen schuift ontstaat geleidelijk cumulusbewolking Cu en neerslag, bij een koudefront dat onder een warme luchtlaag schuift ontstaan wolken en heftige regenbuien in een relatief korte tijd.

Warmtefront, de warme lucht glijdt over de koude luchtlaag heen.

Stabiel warmtefront en onstabiel warmtefront

Bij een ‘stabiel warmtefront’ bestaande uit een zekere temperatuur, luchtdruk en luchtvochtigheid vind er nauwelijks verandering plaats bij het langs of over een koudere luchtlaag heen schuiven. De wolkvorming en neerslag blijft gering bij een ‘stabiel warmtefront’.

Bij een ‘onstabiel warmtefront’ is er sprake van verschillende lagen of niveaus, met onderlinge verschillen in luchtvochtigheid en temperatuur. Wanneer een ‘onstabiel warmtefront’ in aanraking komt met koudere luchtlagen vindt er een verstoring plaats met Cumulonimbus (Cb) bewolking met mogelijk regen- of hagelbuien. Dergelijke fronten komen met name in de zomer voor.

Actief en passief koufront

Bij een ‘actief koufront’ is er sprake van koude luchtmassa’s welke zich duidelijk verplaatsen ten opzichte van het aardoppervlak. Normaliter verplaatsen de koude luchtmassa’s zich op grotere hoogten sneller dan dichter bij het aardoppervlak, omdat de luchtmassa’s daar meer weerstand ondervinden (bergen, bossen, bebouwing). Bij een ‘passief koufront’ verplaatsen de koude luchtmassa’s zich langzaam over het aardoppervlak.

Actief onstabiel koufront

Bij een ‘actief onstabiel koufront’ is er sprake van een front dat zich snel verplaatst, waarbij de windrichting haaks op het frontvlak staat, zowel dicht bij het aardoppervlak als op grote hoogte. Omdat op het hogere niveau meer wind staat (er is minder wrijving met het aardoppervlak) wordt daar voortdurend koude lucht aangevoerd, welke daar over de warme luchtlagen heen schuiven. Hierdoor ontstaan ‘onstabiele luchtlagen’ waarbij de koude lucht ‘omlaag valt’ en warme lucht omhoog beweegt. De warme lucht is nog bij het aardoppervlak aanwezig, terwijl daarboven zich verticale luchtverplaatsingen voltrekken. In deze verticale luchtstromingen komt tot stand waaruit zware neerslag is te verwachten. De cumulonimbus bewolking met zware neerslag dikke wolkenpakken die hoog opklimt, doet zich vooral voor in de zone van de warme luchtmassa’s, en is een zomers verschijnsel.

Actief stabiel koufront

Dit wordt wel genoemd het gemaskeerde koufront dat zich vooral in de winterperiode voordoet. De temperatuur- en luchtvochtigheidverschillennzijn bij deze fronten gering, evenzo de uitwisseling van de verschillende luchtsoorten. Waarmee het front nagenoeg onopgemerkt kan passeren.

Passief stabiel koufront

Bij een ‘passief stabiel koufront’ is er sprake van een koude luchtmassa welke zich langzaam over het aardoppervlak beweegt. De koude luchtlagen dringen zich geleidelijk onder de warme luchtlagen, weliswaar ontstaat daar bewolking en kan er neerslag vallen, maar de meeste neerslag doet zich voor na de passage van het koudefront.

Passief onstabiel koufront

Wanneer er sprake is van warme luchtmassa’ met een relatief hoge luchtvochtigheid en weinig luchtdrukverschillen dus weinig wind, en wanneer de stabiliteit in zulke warme luchtmassa’s wordt verstoord door het front van koude luchtmassa’s, dan ontstaat er een passief onstabiel koufront. De warme lucht wordt geleidelijk omhooggestuwd door de koude luchtmassa’s, er ontstaat cumulus en cumulonimbus bewolking, de warme lucht beweegt zich ook boven de koude luchtmassa’s die onder de warme lucht kruipt, met kans op zware neerslag, hagel en onweer achter het koufront.

Occlusiefront

Occlusiefronten ontstaan doordat koudefronten zich sneller verplaatsen dan warmtefronten. Het ontstaan van een ‘Oclussiefront’ resulteert in koude en warme fronten boven elkaar in het paarse gebied.
Occlussiefront, met een meer verticale scheiding tussen koude – en warme luchtlagen

Ga naar Actuele weerkaart KNMI

Wordt vervolgd

U spant de hemel uit als een tentdoek
en bouwt op de wateren uw hoge zalen,
U maakt van de wolken uw wagen
en beweegt u op de vleugels van de wind,
U maakt van de winden uw boden,
van vlammend vuur uw dienaren.

PS 104

Sluit Menu