ATMOSFEER

INLEIDING

Onze aarde is omgeven met een dunne schil gassen met een luchtdruk op grondniveau van ongeveer 1000 hPa. Deze gassen vormen de atmosfeer, waarin stikstof, met ongeveer 78% het hoofdbestanddeel vormt. Daarnaast bestaat zij uit 21% zuurstof; 0,9% argon en 0,03% kooldioxide en een groot aantal sporenelementen. Natuurlijk zit er ook waterdamp in de atmosfeer, maar de hoeveelheden verschillen in tijd en plaats op de aarde. Vochtige hete tropische klimaten kunnen wel tot 5% van het atmosfeervolume uit waterdamp bestaan. In tropische woestijnen en op de koude poolstreken nauwelijks meer dan 0,1%. Waar de luchtvochtigheid in de tropische vochtige klimaten hoog is, is zij in de tropische woestijnen juist laag. Het eigenaardige is dat de poolstreken met eenzelfde volume percentage water als in de woestijnen juist weer vaak een hogere luchtvochtigheid kennen. Hieruit kunnen we afleiden dat warme lucht veel meer waterdamp kan bevatten dan koude luchtmassa's.
Er wordt geschat dat de aardse atmosfeer ongeveer 15*1015 kg waterdamp bevat. Van al dit water bevindt zich het grootste deel in de luchtlaag tot op 10 á 15 km hoogte. Dit deel van de atmosfeer wordt troposfeer genoemd en is voor de klimatologie het meest belangrijk. Het weer, zoals wij dat ervaren, vindt plaats in deze luchtlaag.
In het eerste deel op deze pagina eerst iets over bowu van de atmosfeer, in het tweede deel gaan we verder in op onderzoek van de atmosfeer met weerballonnen.

INDELIING VAN DE ATMOSFEER

Het diagram hiernaast toont een volledig overzicht van de aardse atmosfeer. De meeste benoemde onderdelen worden hieronder besproken. Geheel onderin dit figuur staan nog 2 lijnen. Hier is P de luchdruk, die met de hoogte afneemt en T de curve van de temperatuur.

Troposfeer
De troposfeer wordt gevormd door de onderste 10 tot 15 km van de atmosfeer. Hier vinden vrijwel alle processen plaats die van invloed zijn op het weer. Het belangrijkste is natuurlijk de kringloop van het water in stand gehouden door energie toevoer van de zon. Onder invloed van zonnewarmte verdampt er water van de oceanen, maar ook door onder meer planten worden grote hoeveelheden water aan de atmosfeer afgestaan. Verschillen in warmte op diverse plaatsen op de atmosfeer veroorzaken luchtstromingen, waarin het verdampte water als wolken kunnen worden verplaatst. Uit de wolken kan neerslag vallen. Valt deze op het land, dan worden zij voor een deel door rivieren weer naar zee afgevoerd, waarna het proces zich herhaald. Een ander deel wordt opgenomen door levende organismen en door verdamping weer vrijgegeven.
Tot aan de grens met de stratosfeer (boven 10 á 15 km hoogte) neemt de temperatuur gemiddeld met ongeveer 6,5°C per kilometer af. Ook de luchtdruk wordt minder. Op 1,5 km is deze nog ongeveer 850 hPa, op 5 km 500 hPa, op 10 km 300 hPa en op 15 km nog maar 100 hPa.

Op deze Space Shuttle opname zien we de zon net op rand van een buiencomplex. Deze afplatting symboliseert de overgang van de troposfeer naar de stratosfeer; de tropopause.

Tropopause (TP)
De tropopause markeert de overgang tussen de troposfeer en de stratosfeer.
In de troposfeer heerst een negatieve temperatuurgradiënt; de temperatuur neemt af bij toenemende hoogte. De temperatuurafname is ongeveer 6,5°C per kilometer. De stratosfeer heeft echter een positieve temperatuurgradiënt. Het overgangsgebied wordt de tropopauze genoemd en begint per definitie bij een temperatuurafname van 2°C/km.
Het omslagpunt van een negatieve naar een positieve gradiënt ligt boven de tropen een stuk hoger dan boven de polen. Respectievelijk op 16 tot 18 km en 10 km hoogte.

Stratosfeer
Het scheidingsvlak tussen de troposfeer en de stratosfeer wordt tropopauze genoemd. Daarboven bevindt zich de stratosfeer. De stratosfeer is belangrijk omdat daarin veel ozon aangemaakt wordt die schadelijke UV straling absorbeert. In het maximum gebied van de ozonlaag (25 tot 35 km) is de ozonconcentratie het hoogst en toch komt er maar één ozon deeltje per honderdduizend voor.
De temperatuur neemt in de stratosfeer weer toe tot zo'n +15°C.

Stratopause (SP)
De stratopause markeert de overgang tussen de stratosfeer en de mesosfeer.
In de stratosfeer neemt de temperatuur toe bij toenemende hoogte; in de mesosfeer neemt de temperatuur af bij toenemende hoogte, net als bij de troposfeer. Het omslagpunt in dit temperatuursverloop bevindt zich op ongeveer 50 km. De luchtdruk is op deze hoogte nog slechts 1/1000ste deel van de luchtdruk op zeeniveau.

Mesosfeer
Op de stratosfeer volgt de mesosfeer. Het grensvlak ligt op 50 km en wordt stratopauze genoemd. De luchtdruk bedraagt hier nog maar 0,97 hPa. Ook hier wordt nog in beperkte mate ozon gevormd.

Mesopause (MS)
De mesopause markeert de overgang tussen de mesosfeer en de ionosfeer, ook wel thermosfeer genoemd . De mesopauze bevindt zich op een hoogte van 80 à 85 km en wordt gekenmerkt door een omslag in het temperatuursgradiënt. In de mesosfeer neemt de temperatuur af terwijl in de ionosfeer de temperatuur toeneemt bij toenemende hoogte.
De temperatuur varieert tussen de -80 à -100°C. Dit is de laagste temperatuur in de aardatmosfeer. De druk is slechts 1/10.000ste van de luchtdruk op zeeniveau.

Thermosfeer
Boven de stratosfeer begint op 80 km de thermosfeer. De luchtdruk is nog maar 5,8*10-4 hPa terwijl de temperatuur weer gezakt tot zo'n -60°C. In de thermosfeer bevinden zich een aantal ioniserende lagen. Deze lagen worden de ionosfeer genoemd. Op het grensvlak bevindt zich de D-laag. Samen met hoger gelegen E, F1 en F2 lagen beschermen zij de aarde tegen gevaarlijke kosmische straling. Deze straling wordt door deze lagen weerkaatst er terug gezonden naar het heelal. Omgekeerd kunnen we op aarde ook gebruik maken van deze lagen. Radiostraling, van met name kortegolfzenders, worden door deze lagen weer teruggezonden naar het aardoppervlak. Dit maakt dat korte golfzenders over vrijwel de gehele wereld te beluisteren zijn.

Space Shuttle opname van poollcht in de aardse atmosfeer.

Botsingen van kosmische stralingen op de genoemde lagen veroorzaken het befaamde poollicht. Tijdens een ontmoeting van een kosmisch deeltje met atmosferisch deeltje in de ionosfeer, raakt het deeltje geïoniseerd. Het raakt met andere woorden een elektron kwijt en gaat door deze reactie gloeien. Als dat massaal gebeurd kunnen we poollicht waarnemen. We noemen juist poollicht omdat deze processen zich juist vooral bij de polen van de aarde plaatsvinden. Het valt buiten het bestek van deze inleiding om daar nader over in te gaan.

Thermopause (ThP)
De thermopause markeert de overgang tussen de thermosfeer en de exosfeer. De mesopauze bevindt zich op een hoogte van 500 à 1000 km en wordt gekenmerkt door een omslag in het temperatuursgradiënt. In de thermosfeer neemt de temperatuur af terwijl in de exosfeer de temperatuur gelijk blijft bij toenemende hoogte. De temperatuur in de exosfeer varieert tussen dag en nacht met vele honderden graden waardoor ook de hoogte van de thermopauze varieert.
De temperatuur varieert tussen de 500 à 1700 °C. Dit is de hoogste temperatuur in de aardatmosfeer. De druk is slechts 1/1015ste van de luchtdruk op zeeniveau.

Exosfeer
 Van zo'n 500 tot 1000 km bevindt de atmosfeer zich in het overgangsgebied tussen het aardse en het heelal. Boven de 1000 km spreken we over de exosfeer. Op 1000 km hoogte is de luchtdruk nog maar 10-11 hPa. Merk op dat de belangrijkste bemande ruimtevaart activiteiten afspelen op 300 tot 1000 km hoogte en dat de astronauten zich dan nog feitelijk in de atmosfeer van de aarde bevinden.

WEERBALLONNEN

De bovenlucht tot zo'n kilometer of 15 is belangrijk voor de meteorologie. Circulatie van de luchtmassa's in de troposfeer bepalen in grote mate het weer aan het aardoppervlak. Daarom worden er wereldwijd ten minste 2x per dag, om 00 en 12 uur UT weerballonnen opgelaten. De weerballonnen geven gegevens over temperatuur, luchtvochtigheid, windrichting en windsterkte van de hogere luchtlagen.
Met de komst van de luchtvaart aan het begin van de vorige eeuw deed zich gelijk de omstandigheid voor om metingen te verrichten in de hogere luchtlagen. In beginsel stegen vliegtuigjes alleen op als het gunstig en helder weer was om meteorologische metingen te verrichten. Metingen werden zo afhankelijk van de atmosferische condities dat er zeer onregelmatig gevlogen werd. Al gauw zocht men naar andere methoden en voor de 2e Wereld Oorlog werden voor dat doel vliegers op gelaten. Het waren geen vliegers aan een touwtje, maar ze werden opgelaten met stalen kabels. Er konden op deze wijze hoogten tot een paar kilometer worden bereikt. Het Nederlandse Vliegerstation was op Soesterberg gevestigd.
Na de oorlog kwam de weerballon in zwang. Het voordeel is dat nu altijd metingen gedaan kunnen worden. Hoe slecht het weer ook is, een ballon kan altijd opstijgen en dat is een groot voordeel ten opzichte van het verleden.

HET OPLATEN VAN EEN WEERBALLON

Op het KNMI wordt eerst in de weerkamer de sonde getest en gekalibreerd. Met de sonde wordt de luchttemperatuur, de luchtvochtigheid en luchtdruk op verschillende hoogten bepaald. De windrichting en snelheid kan bepaald worden door de bewegingen van de sonde in de atmosfeer te volgen. Dit gaat veelal radiografisch of met radar.
Als de sonde is getest wordt deze meegenomen naar een loods op het waarnemingsterrein. In de loods wordt eerst de ballon gevuld met helium. Er wordt altijd een vaste hoeveelheid helium in de ballon gedaan, zodat deze altijd dezelfde stijgkracht heeft. Daarna wordt de sonde geplaatst en opgelaten.
De sonde zendt vervolgens de gegevens naar het ontvangst station. Hier worden de gegevens geanalyseerd, gecodeerd en verzonden naar het wereldwijde netwerk van de World Meteorological Organisation. Elk instituut waar ook ter wereld kan nu kennis nemen van de sondering gedaan op het KNMI.

A	B
C	D
E	A De ballon wordt op een ballonvuller geplaats. B Terwijl de ballon met helium gevuld wordt, wordt ook de sonde geprepareerd. C De sonde wordt aan de ballon vast gemaakt. D De ballon klaar voor lancering. E De ballon op weg.

ANALYSE VAN DE VERKREGEN GEGEVENS

Uit de metingen kunnen zeer veel parameters gehaald worden die van belang zijn voor weersverwachtingen en de actuele weersgesteldheid. Onderstaand een overzicht van de gegevens die een sondering oplevert.

Online ontvangst van de zojuist opgelaten weerballon in de weerkamer van het KNMI.

Wolken
Met behulp van de temperatuur en dauwpunt kunnen niet alleen de wolkenniveaus en dikte van wolkenbanken bepaald worden, ook wordt inzicht gegeven waar en op welke hoogte rijp en ijs in de wolken gevormd wordt.

Stabiliteit van de atmosfeer
Met de toenemende hoogte in de atmosfeer daalt de temperatuur. In een standaard atmosfeer is de daling ongeveer 1°C/100 m. Afwijkingen geven een maat voor de (on)stabiliteit van de atmosfeer.

Zwaar weer
Onweer, windhozen en tornado's vallen onder zwaar weer. Analyse van metingen geven aan of er zwaar in de lucht zit. Er zijn daarvoor tientallen parameters ontworpen die elk een eigen functie hebben.

Wind
Uit de beweging van de sonde wordt de windsnelheid en richting bepaald. Op enige hoogte kan deze afwijken van grondwaarnemingen. Het is bijvoorbeeld heel goed mogelijk dat de wind aan de grond uit het zuiden waait, maar op 5 of 10 km hoogte uit het noorden komt. Soms vindt de omslag op een bepaalde hoogte heel plotseling plaats. We spreken dan over windschering ook dit kan een indicator voor zwaar weer zijn. Het kan vooral voorkomen bij zwaar onweer waarbij we met zware windstoten en windhoos kansen rekening moeten houden.

Stralingsmist
Tijdens nachtelijke afkoeling kunnen soms mistbanken ontstaan. Uit analyse van sonderingsgegevens kunnen we de kans op stralingsmist aan het aardoppervlak bepalen.

Natuurlijk zegt één enkele sondering soms niet zo heel veel. Het is vaak beter om sonderingen in een breder perspectief te zien. Daarom worden er weerkaarten gemaakt van diverse lagen in de atmosfeer. Meer informatie over deze weerkaarten vindt u <hier>.