Weerkunde

Weersfenomenen ofwel weersverschijnselen

Soms lijken weerfenomenen uit het niets te komen en net zo snel weer te verdwijnen. Denk maar aan:

• Op een mooie zomerochtend verschijnen er steeds meer wolkjes aan de blauwe lucht.

• Na een koude nacht in de maand september is het gras in de tuin erg nat van de dauw.

• Aan het einde van een rustige herfstdag in november kun je de mist zien boven sloten en vijvers.

Maar dezelfde dingen kunnen ook zomaar weer verdwijnen:

• Aan het einde van een mooie zomerdag lossen de mooie wolkjes langzaam weer op.

• Tegen het einde van de ochtend is de dauw weg en voelt het gras weer droog aan.

• Op een mistige herfstochtend breekt opeens de zon door en laat de mist snel verdwijnen.

Een stof bestaat uit moleculen

Wetenschappers hebben ontdekt dat stoffen bestaan uit heel kleine deeltjes die moleculen worden genoemd. Elk type stof heeft zijn eigen soort moleculen. In water vind je andere moleculen dan in zuurstof of suiker. Water bestaat uit waterstofatomen, zuurstof uit zuurstofatomen, suiker uit glucose. Atomen zijn weer kleinere deeltjes waar een molecuul uit is opgebouwd.

Hoewel je niet kunt zien hoe moleculen van een stof zich gedragen, kun je proberen je dat voor te stellen. Je kunt je een beeld vormen van wat een stof is. Dat beeld noem je ook wel een 'deeltjesmodel'.

In de natuurkunde wordt vaak gebruikgemaakt van het deeltjesmodel. Moleculen hebben in dit model de volgende eigenschappen:

• De moleculen van een stof veranderen niet. Of een stof nu vast, vloeibaar of gasvormig is, je hebt steeds dezelfde moleculen.

• De moleculen van een stof bewegen voortdurend. Hoe hoger de temperatuur, des te sneller bewegen ze.

• De moleculen van een stof trekken elkaar aan. De aantrekkingskracht wordt groter als de moleculen dichter bij elkaar komen en kleiner als ze bij elkaar vandaan bewegen.

Het deeltjesmodel

Met het deeltjesmodel van een stof kun je je de fasen en faseovergangen voorstellen zoals in de afbeelding hiernaast is weergegeven.

In een vaste stof hebben alle moleculen een eigen, vaste plaats en bewegen ze heel langzaam heen en weer. De afstand tussen de moleculen is klein en de onderlinge aantrekkingskracht is groot. Bij een bepaalde temperatuur (het smeltpunt) smelt de stof en wordt vloeibaar.

In een vloeistof bewegen de moleculen langs en door elkaar heen. Ze hebben geen vaste plaats meer. De onderlinge aantrekkingskracht is kleiner dan bij een vaste stof, maar nog wel groot genoeg om de moleculen bij elkaar te houden. De snelheid van sommige moleculen is zo groot dat ze uit de vloeistof kunnen ontsnappen en de vloeistof verdampt.

De moleculen van een gas bewegen los van elkaar, met grote snelheid, door de ruimte. De afstand tussen de moleculen is groot en de onderlinge aantrekkingskracht is klein. Een gas kun je gemakkelijk samenpersen omdat er veel lege ruimte tussen de moleculen zit.

Lucht is een mengsel van verschillende gassen, waaronder stikstof, zuurstof en waterdamp. Waterdamp begint al snel te condenseren als de temperatuur daalt, wat belangrijk is bij weersverschijnselen zoals mist en dauw. Als de temperatuur stijgt, verdampen de waterdruppels weer. Als de temperatuur onder het vriespunt ligt, ontstaat rijp, bestaande uit kleine ijskristallen.

Luchtdruk meten

Boven je hoofd strekt zich een laag lucht uit die vele kilometers hoog is. Naar boven toe wordt de lucht dunner: er zijn steeds minder moleculen per liter lucht. Al die lucht boven je in de atmosfeer weegt behoorlijk wat. Per vierkante meter drukt de lucht ongeveer met 10.000 kilogram op je. Gelukkig drukt de lucht van alle kanten op je (ook vanuit binnenuit je lichaam) en ervaar je hierdoor geen last. De lucht duwt op het aardoppervlak, op je lichaam en op alle andere objecten in onze atmosfeer. Dat noemen we de luchtdruk.

Met een barometer kun je meten hoe sterk de luchtdruk is. In de afbeelding hiernaast zie je hoe een metaalbarometer eruitziet. In zo'n barometer zit een metalen doosje waar de meeste lucht uit is gezogen. Het bovenste deel van dit doosje is dun (een velletje genaamd 'membraam') en kan makkelijk op en neer bewegen. Een sterke veer zorgt ervoor dat de luchtdruk het doosje niet helemaal indrukt.

Het doosje reageert op veranderingen in de luchtdruk. Als de luchtdruk hoger wordt, duwt dat het membraam van het doosje naar beneden. Als de luchtdruk daalt, veert het membraam weer omhoog. Deze bewegingen worden doorgegeven aan een wijzer. Die laat op een wijzerplaat zien hoe groot de luchtdruk is. Op veel barometers wordt de luchtdruk aangegeven in millibar (mbar). De officiële natuurkundige eenheid voor druk is de pascal (Pa). 1 bar = 1000 mbar = 100 000 Pa. Dus 1 mbar is gelijk aan 100 Pa.

Hoge druk en lage druk

Als je elke dag de barometer afleest, zul je merken dat de luchtdruk niet altijd hetzelfde is. Op zeeniveau varieert de luchtdruk meestal tussen 970 en 1040 mbar. Als de luchtdruk op een plek lager is dan normaal, spreken we van een lagedrukgebied. Als de luchtdruk hoger is dan normaal, is er sprake van een hogedrukgebied.

Een lagedrukgebied brengt vaak onstabiel weer met veel wind en neerslag. In een hogedrukgebied is het weer meestal rustig en zonnig. Je kunt dus de barometer gebruiken om het weer te voorspellen. Als de luchtdruk stijgt, wordt het waarschijnlijk beter weer. Als de luchtdruk daalt, wordt het waarschijnlijk slechter weer.

Luchtdruk en hoogte

Meestal merk je niet veel van de luchtdruk. Dat komt doordat de holle ruimtes in je lichaam, zoals je neus, mond, keel en longen, gevuld zijn met lucht. Die lucht oefent druk uit die even groot is als de luchtdruk van buiten. Daarom voel je niet dat de lucht op je lichaam drukt. Alleen als je snel stijgt of daalt, voel je druk in je oren door de verandering van luchtdruk.

Hoe hoger je gaat (gemeten vanaf zeeniveau), hoe minder lucht er boven je is. Dus de luchtdruk neemt af naarmate je hoger komt. Je kunt dus een barometer ook gebruiken om te zien hoe hoog je bent.

Druk in een ruimte

Als je lucht in een afgesloten ruimte pompt, neemt de druk in die ruimte toe. Dat komt doordat de moleculen van de ingepompte lucht in die ruimte, net als de al aanwezige lucht, overal naartoe bewegen en tegen de wanden botsen. Die botsingen zorgen voor druk op de wanden. Dat noemen we gasdruk.

Hoe meer gasmoleculen je in een ruimte perst, hoe hoger de gasdruk wordt. Dat merk je als je je fiets- of scooterband oppompt. De band wordt harder naarmate je meer lucht erin pompt. Je moet stoppen met pompen als de druk hoog genoeg is, anders kan de band klappen.

Overdruk meten

Om de druk in een band te meten, gebruik je een manometer. Die werkt op dezelfde manier als een barometer. De luchtdruk in de band duwt een membraan (een gegolfd metalen plaatje) omhoog. Die beweging wordt doorgegeven aan een wijzer, die de druk van de lucht aangeeft. Meestal wordt dat weergegeven in bar.

De meeste manometers geven niet de echte druk aan, maar de overdruk; dat is het verschil tussen de luchtdruk buiten en de druk in de band. De echte druk in de band is de overdruk plus de luchtdruk buiten. Dat noemen we de absolute druk. 

Dus: absolute druk = luchtdruk + overdruk.

Het meten van de temperatuur

Een belangrijk meetpunt voor weerexperts is hoe warm of koud de buitenlucht is. Om deze temperatuur te meten, kun je verschillende soorten thermometers gebruiken. Kijk maar naar de afbeelding hier naast, dat is een vloeistofthermometer. Deze thermometer heeft een reservoir en een stijgbuis met een schaalverdeling. Het reservoir en een deel van de stijgbuis zijn gevuld met een vloeistof, meestal alcohol.

Als het warmer wordt, zet de vloeistof uit en stijgt het niveau in de buis. Als het kouder wordt, krimpt de vloeistof en daalt het niveau. Omdat de buis erg smal is, zie je de vloeistof al bewegen bij kleine temperatuurverschillen.

In het dagelijks leven gebruiken we thermometers met een schaalverdeling in graden Celsius (°C). Om zo'n thermometer in te stellen, zet je eerst twee streepjes: één bij het vriespunt van water (0 °C) en één bij het kookpunt van water (100 °C). Daarna verdeel je de afstand tussen die twee streepjes in honderd gelijke delen. Zo kun je ook temperaturen onder 0 °C en boven 100 °C meten.

Gasdruk en temperatuur

De temperatuur heeft invloed op de druk van gas in een afgesloten ruimte. Dat kun je begrijpen met het deeltjesmodel. Als het warmer wordt, bewegen de moleculen van het gas sneller. Ze botsen dan vaker en harder tegen de wanden. Daardoor stijgt de gasdruk. Als het weer kouder wordt, daalt de gasdruk.

Met de opstelling hiernaast kun je het verband tussen temperatuur en gasdruk meten. Met de manometer meet je de druk van de lucht in de kolf. Met de thermometer meet je de temperatuur. Uit de metingen blijkt dat de druk gelijkmatig toeneemt als de temperatuur stijgt. Aan de stijging van de druk kun je zien hoeveel graden de temperatuur is gestegen.

Het absolute nulpunt

Wat gebeurt er met de gasdruk als de temperatuur steeds lager wordt? Deze zal afnemen en bij de gasdruk van 0 Pa zal de temperatuur afgerond −273 °C zijn. Natuurkundigen hebben ontdekt dat de temperatuur niet lager kan worden dan dit: −273 °C is de laagst mogelijke temperatuur, het absolute nulpunt.

Met het deeltjesmodel kun je begrijpen waarom er een laagste temperatuur bestaat. Als je gas afkoelt, bewegen de moleculen steeds langzamer. Uiteindelijk komen ze tot stilstand. Dan botsen ze niet meer tegen de wanden en is de gasdruk nul. Lager dan dat kan de druk (en de temperatuur) niet worden.

Een temperatuur van −273 °C is moeilijk voor te stellen. Zelfs op de koudste plaatsen op aarde blijft het daarboven. De laagste temperatuur die weerkundigen hebben gemeten, is −98 °C. Dat is nog steeds 175 °C boven het absolute nulpunt. Alleen in laboratoria kunnen ze de temperatuur bijna tot het absolute nulpunt laten dalen.

De Kelvinschaal

In de natuurkunde gebruiken ze vaak de Kelvinschaal om temperatuur te meten. Deze schaal lijkt op de Celsius schaal, maar heeft een ander nulpunt: het absolute nulpunt. Een temperatuur van −273 °C is dus 0 K.

Om de temperatuur in Kelvin (K) te vinden, moet je 273 optellen bij de temperatuur in graden Celsius. Het absolute nulpunt (−273 °C) is dus 0 K. Dat betekent dat 0 °C overeenkomt met 273 K, en 100 °C met 373 K. Om van kelvin naar graden Celsius terug te rekenen, moet je 273 van de temperatuur in Kelvin aftrekken.

Het dauwpunt

In Nederland zit de lucht om je heen altijd vol met waterdamp. Dit is soms meer, soms minder en hangt af van veel factoren. Als het warmer is, kan de lucht meer waterdamp vasthouden. Daarom gebruikt een wasdroger warme lucht om natte was snel te drogen. Warme lucht kan namelijk meer waterdamp opnemen dan koude lucht.

In de afbeelding hiernaast zie je hoeveel waterdamp er in 1 kubieke meter lucht kan zitten bij verschillende temperaturen. Bijvoorbeeld, als het 25 °C is, kan 1 kubieke meter lucht maximaal 23 gram waterdamp bevatten. Bij 5 °C is dat maar 7 gram per kubieke meter. Dus lucht van 25 °C kan 16 gram meer waterdamp vasthouden dan lucht van 5 °C.

Als lucht afkoelt, begint de waterdamp te condenseren, dat is het moment waarop het dauwpunt bereikt wordt. Het dauwpunt verschilt omdat sommige lucht meer waterdamp bevat dan andere lucht.

Verschillende wolken, verschillend weer

Soms is de temperatuur in de opstijgende lucht niet veel warmer dan de omringende lucht. Dan stijgt de luchtbel langzaam en wordt het mooi weer. Als de opstijgende lucht veel warmer is, kunnen de luchtbellen een grote hoogte bereiken. Dan krijg je grote wolken met een donkere onderkant. Bovenin deze wolken vormen zich ijskristallen. Deze groeien tot ze te zwaar zijn om nog hoger te stijgen en vallen dan als regen.

Vaak smelten de ijskristallen voordat ze de grond raken. Dan regent het. Als het 's winters onder nul is, blijven de ijskristallen bevroren en valt er sneeuw of hagel.

Onweer

Onweersbuien ontstaan als warme, vochtige lucht snel omhoog stijgt. Dit creëert grote onweerswolken die meer dan 10 km hoog kunnen worden. De lucht in deze wolken beweegt sterk. Warme lucht stijgt op en koude lucht met hagel en regen valt naar beneden. Dit zorgt voor elektrische ladingen in de wolk en tussen de wolk en de aarde, wat leidt tot bliksem en donder.

Let op! Wanneer je een bliksemschicht ziet, tel dan het aantal seconde tot je de donder hoort. Deel het aantal getelde seconden door 3 en je weet hoe ver de onweersbui in kilometers van je is verwijderd. 

Voorbeeld:

Bliksem slaat in en 6 seconde later hoor je de donder. 

6 / 3 = 2

De onweersbui is dus 2 km van je verwijderd.