Wanneer je hier wat dieper induikt is het best een heel interessant onderwerp wat nog de nodige vragen open houdt. Hieronder wil ik graag het een en ander uit leggen over de processen die bij contrails een rol spelen. Ik probeer ook wat duidelijker te maken hoe het uiterlijk van wolken kan worden verklaart. Eerst kijken we naar natuurlijke wolkenvorming.
Condensatie
Wanneer vochtige lucht afkoelt tot beneden het dauwpunt onstaat een wolk. De relatieve vochtigheid stijgt dan tot 100% en de lucht raakt verzadigd met waterdamp. Bij verdere afkoeling condenseert het overtollige waterdamp tot zeer kleine druppeltjes. Daarvoor zijn condensatiekernen nodig. Dit zijn microscopische kleine deeltjes zuur of zout, in ieder geval stoffen die goed oplossen in water. In een liter lucht zitten er soms wel een miljoen maar ze zijn zo klein dat ze de lucht vaak nauwelijks vertroebelen. Bij condensatie worden ze aangelengd met water maar ook wolkendruppeltjes blijven relatief klein omdat het overtollige water zich kan verdelen over ontelbare kernen. Omdat de druppeltjes met zoveel zijn belemmeren ze het zicht volledig en zo onstaat een duidelijk zichbare wolk. Wanneer de relatieve vochtigheid weer beneden 100% daalt dan lossen die kleine druppeltjes ook gelijk weer op zodat de wolk duidelijk begrensd is. Wolkengeslachten die geheel uit druppeltjes bestaan zijn stratus, cumulus, stratocumulus en altocumulus.
Bevriezing
De hogere luchtlagen zijn veel kouder. Bij temperaturen beneden het vriespunt kunnen waterwolken ook nog bestaan maar de druppeltjes raken onderkoeld. Daarnaast kunnen ook ijskristallen onstaan. Voor ijskristallen zijn vrieskernen nodig. Dit zijn vaste stofdeeltjes zoals klei of pollen. Het leeuwendeel van die kernen werkt pas bij temperaturen beneden -12°C, het ijskiemniveau. Effectieve vrieskernen zijn veel dunner gezaaid dan condensatiekernen (soms maar enkelen in een liter lucht) zodat het overtollige waterdamp zich moet verdelen over minder kernen en een afzonderlijke kristal meer ijsmassa opbouwt. Daardoor zijn ijskristallen groter dan wolkendruppeltjes en nemen ze veel minder zicht weg. IJswolken zijn dan ook ijler en bovendien zorgen ze voor optische verschijnselen zoals bijzonnen en halo's. Omdat de ijsdeeltjes niet gelijk verdampen wanneer ze in droge lucht komen zijn ijswolken minder scherp begrensd. Wolken die geheel uit ijskristallen bestaan zijn cirrus, cirrostratus, cirrocumulus* en altostratus (hoewel die laatste ook waterdruppels kan bevatten maar de ijskristallen bepalen het uiterlijk). De dampspanning boven ijs is lager dan boven water zodat ijskristallen gemakkelijker vocht aantrekken, zelfs in een situatie waarbij onderkoelde wolkendruppeltjes verdampen. De lucht is dan onderverzadigd voor water (rv < 100%) maar oververzadigd voor ijs. De rv geldt voor water maar niet voor ijs. Naast het dauwpunt bestaat er ook het rijppunt en dat ligt hoger dan het dauwpunt. Hoe verder onder nul hoe verder dauw- en rijppunt uitelkaar liggen. Ter hoogte van cirrus en contrails bedraagt dat verschil meer dan 5 graden.
Wolkendruppels kunnen niet oneindig onderkoeld blijven. Bij temperaturen beneden -40°C bevriezen druppeltjes spontaan zonder vrieskernen. Je zou dit het absolute ijskiemniveau kunnen noemen en beweegt zich boven onze contreien tussen 6 en 9 km hoog. Maar waterdruppeltjes zijn op die hoogten zeldzaam omdat, voordat het dauwpunt wordt bereikt het rijppunt al is gepasseerd. Dan zijn er al ijskristallen gevormd die het overtollige vocht aantrekken en voorkomen dat de rv boven de 100% stijgt. Uitzonderingen hierop komen voor bij cumulonimbus, cirrocumulus* en... contrails.
'Stoom-' of mengingswolken
Wolken onstaan bijna altijd doordat lucht wordt afgekoeld, in de meeste gevallen door op te stijgen. Maar wolken kunnen in principe ook onstaan doordat warme, vochtige lucht mengt met (zeer) koude lucht. De curve die het verband aangeeft tussen temperatuur en verzadingspanning loopt krom. Het komt er op neer dat het dauwpunt van het mengsel hoger ligt dan je op basis van de mengverhouding zou verwachten. (Fifty fifty mengen van lucht van 0°C en 20°C geeft een temperatuur van 10°C maar menging van de dauwpunten 0 en 20 graden levert een waarde hoger dan 10 graden op dus condensatie). Dit verklaart waarom we 's winters ademwolkjes zien maar in de zomer niet, ook bij hoge relatieve vochtigheid. Op deze wijze onstaat ook de damp (= wolkje van condensdruppeltjes) boven een kopje thee, mistbanken boven een weiland of een vijver, de stoom uit koeltorens, wolkjes achter de uitlaat van auto's en contrails. Hiervoor worden net als bij gewone waterwolken condensatiekernen gebruikt die zo wel met de uitstoot meekomen als in de omgevingslucht vorkomen. Wanneer het vriest zijn deze wolkjes onderkoeld. In verloop van tijd is de doormenging met de omgevingslucht zo groot dat het mengsel steeds meer die waarden gaat aannemen. Is de omgevingslucht vrij van wolken dan ligt de rv daarvan < 100% en daalt ook de rv van het mengsel op den duur onder 100%. Daarbij lost de wolk of stoompluim op. Zelfs bij mistig weer lossen de adempluimen uiteindelijk weer op. Maar voor contrails gelden andere 'regels'.
contrails
De kruishoogte van vliegtuigen bedraagt 8 tot 12 km waar het gehele jaar temperaturen heersen van -40°C of lager. Contrails ontwikkelen zich boven het absolute ijskiemniveau. De uitlaatgassen bevatten waterdamp en zijn heet. Door menging met de ijskoude omgevingslucht koelen de uitlaatgassen af maar raken ook oververzadigd, zoals hierboven uitgelegd. Het mengsel koelt niet alleen af tot onder het rijppunt maar ook tot onder het dauwpunt waardoor druppeltjes onstaan. Maar boven het absolute ijskiemniveau bevriezen ze gelijk. Het overschot aan waterdamp wordt verspreid over de
talrijke ijskristallen die zijn onstaan en daardoor zijn ijskristallen in contrails waarschijnlijk veel kleiner dan de ijskristallen van gewone cirrus en cirrostratus. Bij druppelvorming zijn immers condensatiekernen betrokken en die zijn ook op die hoogten nog in relatief grote getale aanwezig. Bij verdere doormenging raakt de contrail al weer snel onderverzadigd voor water maar niet voor ijs. De contrail kan dan blijven bestaan en zich steeds verder uitsmeren.
Oververzadigde heldere hemel *
Vrieskernen zijn afkomstig van het aardoppervlak en zakken met de ijskristallen weer naar beneden. Op grotere hoogten zijn ze daarom steeds schaarser. Het komt voor dat er tegen de tropopauze in het geheel geen geschikte vrieskernen aanwezig zijn. Wanneer de temperatuur onder het rijppunt daalt zouden er ijskristallen moeten onstaan maar door het ontbreken van vrieskernen gebeurt dat niet en blijft de hemel blauw. Een niet brandschone luchtstroom verraadt zich dan meteen in de vorm van een cirruswolk. Maar een vliegtuig kan dat ook veranderen. Niet door de injectie van vrieskernen maar door het aanmaken van wolkendruppeltjes, die bevriezen en als vrieskern werken. Omdat de omgevingslucht oververzadigd is voor ijs blijft het mengsel dat ook. De contrail kan zich nu eindeloos uitspinnen waarbij de totale ijsmassa van de wolk blijft toenemen.
Conclusie
Voor waterwolken zijn condensatiekernen nodig en de druppeltjes raken onderkoeld bij temperaturen onder nul. Bij temperaturen veel verder onder het vriespunt waterwolken steeds minder voor. Voor ijswolken zijn bij temperaturen tussen -11°C en -40°C vrieskernen nodig. Wordt de lucht nog kouder dan bevriezen waterdruppeltjes ook tot ijskristallen en zijn er geen vrieskernen meer nodig. Onder deze omstandigheden worden contrails gevormd. Bij vrieslucht vragen waterwolken een hoger vochtgehalte dan ijswolken. Bij zeer lage temperaturen wordt meestal niet aan die vraag voldaan maar achter vliegtuigen lukt het wel. Deze kunstmatige wolken onstaan door menging van warme, vochtige lucht met zeer koude lucht. De relatieve vochtigheid van de omgevingslucht bepaald de levensduur van de contrails.
Waterwolken en ijswolken zijn uiterlijk vaak goed te onderscheiden. Waterwolken zijn compact met scherpe contouren terwijl ijswolken ijl en een vezelig uiterlijk hebben met een vage overgang tussen wolk en blauwe hemel. Dit komt omdat de waterdruppeltjes veel sterker geconcentreerd zijn dan ijskristallen wat weer terug te voeren is op het grote verschil tussen de hoeveelheid condensatiekernen en vrieskernen in de atmosfeer. Voor een deel ligt de verklaring ook in het verschil in dampspannig tussen ijs en water. Boven het absolute ijskiemniveau (-40°C) bestaan alle wolken uit ijs. Sommige wolken echter, en contrails in het bijzonder, bestonden aanvankelijk wel uit druppeltjes, die daarna onmiddellijk bevroren. Aangezien hierbij condensatiekernen zijn betrokken kunnen zij uiterlijke kenmerken vertonen die ook bij waterwolken zijn te zien. Omdat ze veel hoger hangen dan de waterwolken in de lagere troposfeer zijn ze veel fijner van structuur. Verder kan natuurlijke wolkenvorming op grote hoogte uitblijven door het gebrek aan vrieskernen. Injectie van vocht door vliegtuigen kan dan tot overontwikkeling van contrails leiden zonder gewone cirrus.
* Kanttekeningen en nadere discussiepunten:
Cirrocumulus kan ik kwa uiterlijke kenmerken moeilijk plaatsen binnen de microfysica als ijswolken. Komen ze alleen voor boven het absolute ijskiemniveau (CC wordt vaak iets hoger ingeschaald in wolkenliteratuur) dan onstaan ze aanvankelijk als waterwolk. Daarvoor moet het dauwpunt worden gepasseerd en dat is een lastigere opgave. Dat zou kunnen verklaren waarom cirrocumulus vrij zeldzaam is. Cirrocumulus zonder cirrus impliceert ook nog dat er geen vrieskernen aanwezig zijn. Eigenlijk is cirrocumulus het enige wolkengeslacht dat dezelfde microfysica kent als een contrail. Of dit wolkengeslacht onstaat in lucht met juist een zeer hoge concentratie aan vrieskernen (woestijnstof). Dat er geen vrieskernen hoeven voor te komen heb ik laatst ergens gelezen maar ik weet niet meer waar. Aangezien er vaak permanente contrails zijn te zien zonder overige sluierbewolking, zou die situatie zich best vaak voor moeten doen. Zou dit de laatste jaren misschien vaker voorkomen omdat er lang geen grote vulkaaneruptie is geweest die vrieskernen levert vanuit de stratosfeer? Op de eerste link die Saskia meepost van Kees Floor wordt een andere verklaring gegeven voor het optreden van permanente contrails bij heldere hemel. Voor de vorming van ijskristallen is een hogere dampdruk nodig dan voor waterdruppeltjes. Maar bij eenmaal onstane ijskristallen ligt de dampdruk wel lager en groeien ijskristallen door onder, ook onder omstandigheden waaronder waterdruppeltjes verdampen.
Condensatiekernen zijn altijd in voldoende hoeveelheden aanwezig dus zouden er toch eerst niet waterwolken onstaan? De meeste condensatiekernen komen ook vanaf het aardoppervlak in de atmosfeer terecht maar omdat wolkendruppeltjes vaker verdampen en lichter zijn kunnen ze gemakkelijker tot de tropopauze doordringen. Maar condensatienucleï onstaan ook door kosmische straling. De zonnewind houdt de kosmische straling tegen wat vooral op grote hoogten tot minder condensatiekernen zou kunnen leiden. Zou de dichtheid van fijne ijskristalletjes in contrails kunnen variëren met de zonneaktiviteit?
Victor
[edit] typo's aangepast
Quote selectie