Werkstuk Natuurkunde Onweer

Transcriptie

1 Werkstuk Natuurkunde Onweer Werkstuk door een scholier 3178 woorden 11 februari ,2 17 keer beoordeeld Vak Natuurkunde Deelvraag 1: Hoe ontstaat onweer? Ontstaan van onweer In de meeste buien verzamelt zich de positieve lading boven en de negatieve lading onder in de atmosfeer. Het spanningsverschil tussen beide ladingen kan wel 300 miljoen volt bedragen, zodat de top van de bui sterk positief is ten opzichte van de ionosfeer en de onderzijde negatief ten opzichte van aarde. Zowel boven als onder de bui is dus het veld tegengesteld gericht aan het mooi weer veld en loopt een lekstroom omhoog. Onder de bui noemt men dit de zogenaamde puntontladingsstroom. Deze naam is ontleend aan de duidelijke voorkeur van deze stroom de aarde te verlaten via uitsteeksels als torens, bomen, e.d. Zulke punten blijven -indien ze voldoende geleiden- op dezelfde spanning als de aarde en die kan sterk afwijken van het ongestoorde veld op die hoogte. Juist boven spitse punten is dus de veldsterkte het hoogst. De overal in de atmosfeer aanwezige ladingsdragers (ionen) gaan zich verplaatsen richting deze punten met hoge veldsterkte. Hierdoor ontstaat een kanaal met geladen deeltjes. Dit kanaal wordt hierdoor beter geleidend dan de omringende lucht, zodat er een grote vonk doorslaat de eigenlijke bliksem. In extreme gevallen botsen geladen deeltjes zo hevig, dat nog meer ionisatie van luchtmoleculen plaats vindt en daarbij kan energie in de vorm van licht vrij komen. Dit is het bekende 'Sint Elmusvuur'. Onweer Onweer (in de volksmond vaak omweer) is het verschijnsel van een of meer elektrische ontladingen in de atmosfeer. Onweer is waarneembaar als een lichtflits, de bliksem, en een scherp rommelend geluid, de donder. Tijdens onweer treedt een vonkoverslag op in de atmosfeer, die gepaard gaat met veel lawaai. In de aardatmosfeer heerst altijd een elektrisch veld. Doorgaans is dit weinig opvallend, maar in buienwolken kan de veldsterkte zo hoog oplopen dat de doorslagspanning van de lucht wordt overschreden. In het laboratorium zou dan een vonk overspringen, maar bij een wolk leidt dat tot een soort kettingreactie: de bliksem. Men onderscheidt bij onweer warmtebuien, die bijvoorbeeld boven zonbeschenen grond ontstaan en frontale buien, die te maken hebben met langstrekkende storingen (depressies, fronten) in de atmosfeer. Onweer zien aankomen Zelfs als er nog nauwelijks bewolking is, kunnen we de veranderingen zien aankomen. Als bijvoorbeeld de strepen van vliegtuigen langzaam oplossen of uitdijen of als de lucht vol raakt met windveren gaat het meestal mis. Opbollende stapelwolken luiden in veel gevallen een Pagina 1 van 6

2 weersverandering in, zeker als ook de wind aantrekt en ook de hoeveelheid bewolking toeneemt. De typische onweerswolk wordt cumulonimbus genoemd. Onweerskansen verraden zich soms al een dag tevoren door wolken die het uiterlijk hebben van een langgerekte bank met opbollende torentjes van kastelen. Soms is die bewolking 's ochtends al te zien waarna de lucht weer helemaal opklaart. Vaak is dat dan maar tijdelijk en ontwikkelen zich in de middag of avond stapelwolken die uitgroeien tot onweersbuien. De kans op onweer is dan ook het grootst. In berggebieden vormen de buienwolken zich meestal eerst bij de toppen, terwijl in het dal de zon nog blijft schijnen. De activiteit van de onweersbuien kan van plaats tot plaats sterk uiteenlopen. Op de ene plaats kunnen tientallen millimeters regen vallen, terwijl het op enkele kilometers daar vandaan nagenoeg droog blijft. Ook windstoten en hagel kunnen heel lokaal optreden, zodat tevoren nauwelijks is aan te geven welke gebieden het ergst zullen worden getroffen. Geluid bij onweer. De knal bij de bliksemflits ontstaat doordat de lucht binnen het pad van de vonk sterk verhit wordt en uitzet. Daarna koelt de lucht weer snel af, en implodeert het kanaal waar de vonk doorheen ging. Deze snelle drukveranderingen van de lucht planten zich vervolgens voort als geluid. Uit de tijd die verstrijkt tussen bliksem en donder kan men afleiden of het onweer nabij is. Het geluid legt in drie seconden een afstand van ongeveer één kilometer af. Als de donderklap binnen 10 seconden na de bliksemontlading te horen is dan is de betreffende ontlading op ongeveer 3 kilometer afstand. Daar buien zich over vele vierkante kilometers kunnen uitstrekken, geeft dit geen directe indicatie van de afstand van de bui, daar de ontladingen zich op verschillende plaatsen onder de wolk kunnen voordoen. Als het onweer erg dichtbij is hoort men alleen een scherpe knal. Als het onweer ver weg is hoort men een gedempt, maar wel langdurig donderen en narommelen. Dit verschil komt door twee effecten: de geluidsabsorptie van de atmosfeer en de bodem. Over grote afstanden worden de hogere frequenties van het geluid geabsorbeerd, zodat alleen de lage frequenties overblijven. De scherpe knal bevat ook veel hoge frequenties, die als het onweer verder weg gehoord wordt, zijn geabsorbeerd. de nagalm. Ook in de openlucht treden echo's op, waardoor de eenmalige knal verandert in een langdurig donderen. Zwaar onweer. Zware onweersbuien zijn meestal het gevolg van een toevallige samenloop van omstandigheden, zoals grote temperatuursverschillen, vochtige lucht en een sterke wind op grote hoogte in de atmosfeer. Bovendien hangt de intensiteit van het onweer af van het tijdstip van de dag waarop de buien passeren. In de zomermaanden is de kans op zware buien in de avond en het begin van de nacht in het algemeen het grootst. Bij (opkomend) zwaar onweer met soms ieder seconde een bliksemflits, kan het heftig tekeer gaan en kunnen plotselinge windvlagen, slagregens en hagel optreden. Zware onweersbuien ontstaan in een vochtig overgangsgebied van zeer warm (tropisch) naar veel kouder weer. Tijdens zo'n bui kan de temperatuur in minder dan een half uur 10 tot 15 C dalen. De buien worden het hevigst als er op grote hoogte in de atmosfeer een zeer sterke wind staat (straalstroom). De buienwolken kunnen uitgroeien tot ongeveer 15 kilometer hoogte en bevatten een enorme hoeveelheid onderkoeld water en op grote hoogte ijskristallen, waardoor ze veel neerslag kunnen opleveren. Sommige buien leveren meer dan tien millimeter in een half uur op. In zo'n wolkencomplex met sterk stijgende en dalende luchtstromingen hebben de druppels een lange weg te gaan voor ze het aardoppervlak bereiken. Daardoor kunnen ze almaar groter worden en dat verklaart de flinke druppels of hagelstenen die uit een zware bui vallen. Zware onweersbuien kunnen hagelstenen zo groot als tennisballen produceren. Buien groeperen zich vaak langs lijnen, die worden voorafgegaan door windstoten. Het gevaarlijke weer is in de lucht te herkennen aan buidelvormige wolken aan de rand van het buiengebied. De wind kan al opsteken Pagina 2 van 6

3 als de eigenlijke bui nog tientallen kilometers verwijderd is, wat zeer verraderlijk is. Bijzonder zware buien worden soms voorafgegaan door een rolwolk, een indrukwekkende, scherp begrensde wolkenbank, die inktzwart kan zijn. Ook overdag kan het dan aardedonker worden. Een rolwolk wordt vergezeld door enorme en plotselinge windstoten van soms 100 tot 150 kilometer per uur. Het is een voorkeursplaats voor windhozen, maar vaak blijft het bij een begin van hoosvorming in de lucht. Reikt de slurf wel tot de grond, dan is schade onvermijdelijk. Deelvraag 2: Hoe ontstaat Regen? Regencyclus. Regen speelt een belangrijke rol bij de water cyclus op aarde: water uit de oceanen verdampt, condenseert in de vorm van wolken, valt op het aardoppervlak neer in één van de vormen van neerslag, en komt uiteindelijk terug in de oceaan via stromen en rivieren om opnieuw aan de cyclus te beginnen. Regen is een vorm van neerslag net als sneeuw(ijskristallen) en hagel(bevroren regen). Regen ontstaat als er per m³ zo veel waterdruppels in de wolk zitten, dat ze tegen elkaar botsen en zo groter worden. Hoe groter de waterdruppel, hoe sneller hij zakt (van 1cm/uur tot 10m/s). Hoewel de lucht in de wolk opstijgt, zal na veel botsingen de groeiende waterdruppel uiteindelijk naar beneden vallen. Tijdens het vallen groeit de druppel door botsingen sterk, maar verliest hij ook water (droogblazen) en alleen de grote druppels halen de grond. In warme landen zie je hoge wolken soms met een regensliert die in de droge lucht onder de wolk snel weer verdampt en nooit de grond raakt. Soms is in de tropen het zo warm en vochtig onder de regenende wolk, dat opstijgend vocht de regende wolk weer aanvult en de wolk blijft regenen. Dit kan alleen als temperatuurverdeling in de lucht gunstig is. Want niet altijd regent het uit vochtige warme lucht. Zo was er in augustus 2003 in Nederland heel erg warm en vochtig weer, maar kwam er geen regen. Regen ontstaat pas dan als wolken voldoende hoog kunnen worden en druppels dus diep genoeg kunnen vallen om te groeien. Dit kan pas als de warme luchtbel tot grote hoogte kan opstijgen. Dit lukt vooral in instabiele lucht waarin de lucht met de hoogte steeds kouder blijft dan de warmere luchtbel. Deze luchten zijn te herkennen aan de wolken met torentjes erbovenop, de stratus cumulus castilianus. Zij voorspellen aankomende regen. Als de temperatuur in de omgevende lucht plotseling niet meer daalt met de hoogte, zal de wolk stoppen met opstijgen en horizontaal uitdijen. De wolk gaat zo op een aambeeld lijken. De wolk hangt meestal in lucht waarvan de temperatuur onder het vriespunt ligt. De regen die er uit valt bestaat daarom meestal uit aaneengeplakte ijsklontjes of sneeuwvlokken. Meestal dooit het ijs tot een waterdruppel op in de steeds warmer wordende lucht eronder en valt het water vloeibaar op de grond. Alleen in herfst en winter blijft het hagel of sneeuw. Buiten de poolgebieden is regen de meest voorkomende vorm van neerslag. Vallende regendruppels worden vaak afgebeeld met de vorm van tranen of peren. Dit is echter geen juiste voorstelling. Kleine regendruppels zijn vrijwel bolvormig. Als ze iets groter zijn, worden ze door de luchtweerstand aan de onderkant afgeplat. Bij hele grote druppels kan zelfs een soort paraplu-vorm voorkomen. Grote regendruppels vallen sneller dan kleine, dit komt niet door de versnelling van de zwaartekracht, die versnelling is voor alle druppels even groot. Dit komt door de luchtweerstand die voor de kleine druppels relatief groter is. Voor de kleinste druppels, zoals in mist, is lucht zo taai als stroop. Zij dalen daarom heel langzaam (1cm/uur). Van regen wordt gesproken indien de diameter van een waterdruppel groter is dan 0,5 mm. Motregen zijn waterdruppels met een diameter Pagina 3 van 6

4 kleiner dan 0,5 mm. Regenmeter De hoeveelheid regen die valt wordt gemeten met een regenmeter: een soort trechter die de neerslag opvangt en die uitloopt in een cilinder waarin het water wordt verzameld. De hoeveelheid wordt tot op 0.1 mm nauwkeurig gemeten. 1 mm regen komt precies overeen met 1 liter water per vierkante meter. Traditioneel worden neerslaghoeveelheden over de hele wereld om 8 uur 's morgens gemeten om de vergelijkbaarheid van metingen te waarborgen. Regen in Nederland In de zomer valt de regen in de regel met grotere hoeveelheden dan in de winter. Door de warmte kunnen fikse buien ontstaan, waardoor dan in korte tijd meer regen valt dan in de koude periode van het jaar. In de nazomer en herfst vallen de zwaarste buien vaak in de kustprovincies, omdat het warme zeewater de buien dan activeert. Gemiddeld over de drie zomermaanden juni, juli en augustus lopen de totale hoeveelheden neerslag uiteen van ongeveer 180 millimeter langs de Noord-Hollandse kust tot 215 millimeter in het binnenland. Aan de kust valt in de herfst omstreeks 250 millimeter. Zware buien leveren soms meer dan 20 millimeter in een kwartier op, wat gemakkelijk tot wateroverlast kan leiden. De grootste hoeveelheden vallen tijdens onweersbuien en op buiige dagen zijn etmaalhoeveelheden van enkele tientallen millimeters zeker in de warme periode van het jaar geen uitzondering. Deelvraag 3:Hoe ontstaat sneeuw? Wanneer de temperatuur plotseling onder het vriespunt daalt, veranderen de piepkleine waterdruppels van de wolken in hele fijne ijsnaaldjes. Op weg naar beneden blijven deze naaldjes kleven aan stofdeeltjes (zandkorrels, rook- of asdeeltjes) die in de lucht zweven. Hierdoor vormen zich kristallen, sneeuwsterren. Deze sterren kunnen allerlei vormen hebben, maar ze zijn altijd zespuntig. Wanneer het waait, klitten de sneeuwsterren, op hun weg naar de aarde, samen en vormen een vlok. Zo'n vlok bestaat uit wat ijs en heel veel lucht tussen de ijsnaaldjes. Zie het als een kussen vol veren met lucht ertussen. Vlokken zijn onregelmatig, klein of groot, maar wanneer het windstil is, dwarrelen ze één voor één naar beneden. Sneeuw is meestal uit wolken vallende neerslag die bestaat uit ijskristallen. Sneeuw komt in Nederland en Vlaanderen niet zo vaak voor. Er valt gemiddeld op ongeveer 30 dagen per jaar sneeuw, maar heel wat jaren gaan voorbij zonder sneeuw van betekenis. Overlast voor het verkeer Sneeuw kan voor overlast zorgen niet alleen door gladheid maar vooral bij natte sneeuw ook door vermindering van het zicht. Tijdens zware sneeuwval is het zicht minder dan 500 meter, vergelijkbaar met mist. Met name de eerste sneeuw van het seizoen of plotselinge sneeuwbuien leveren problemen op. Tijdens periodes met herhaaldelijk sneeuw en winterse buien is de weggebruiker eraan gewend en past het verkeer zich aan. Sneeuw veroorzaakt de grootste problemen wanneer de neerslag valt bij vorst, vooral bij matige tot strenge vorst. Als het dan ook hard waait, gaat de sneeuw stuiven en ontstaan sneeuwduinen. Wanneer sneeuw wordt verwacht bij windkracht 6 of 7 geeft het KNMI een weeralarm uit voor sneeuwjacht. Bij windkracht 8 of meer en sneeuw geldt een weeralarm voor sneeuwstorm. Ook bij Pagina 4 van 6

5 aanhoudend zware sneeuwval met op grote schaal meer dan 5 cm per uur en vers sneeuwdek van ten minste 5,5 cm wordt een weeralarm uitgegeven. Dat is gevaarlijk voor het verkeer en leidt tot grote overlast. Sneeuw zelf is niet glad, maar wordt door het verkeer tot glad ijs gereden. Sneeuw kan worden bestreden met behulp van sneeuwschuivers. Eeuwige Sneeuw. Met eeuwige sneeuw wordt bedoeld de sneeuw die op de top van een berg ligt en die het gehele jaar door blijft liggen. De "sneeuw" die aldus blijft liggen lijkt echter niet meer op de zachte, juist gevallen, sneeuw. Het is eerder een harde, witte ijslaag. Over het algemeen zal de sneeuw die in de winter valt in het voorjaar en in de zomer gaan smelten doordat de temperatuur dan, in elk geval overdag, boven het vriespunt komt. Door het smelten van deze sneeuw krijgen rivieren zoals de Rijn veel van hun water. Een ander deel van de sneeuw zal sublimeren, dat wel zeggen, direct verdampen zonder dat er water ontstaat. Op plaatsen waar in de winter meer sneeuw valt dan in de rest van het jaar verdwijnt ontstaat eeuwige sneeuw. Dat de sneeuw niet volledig wegsmelt kan komen doordat de sneeuwlaag te dik is, doordat het te koud is, of omdat de sneeuw een groot deel van de dag in de schaduw ligt. De ondergrens van de eeuwige sneeuw, de sneeuwgrens, ligt op een min of meer vaste hoogte. Bij landen met een warmer klimaat ligt de sneeuwgrens hoger. In de poolstreken ligt de sneeuwgrens op zeeniveau. In de Alpen ligt de grens op ongeveer 3200 meter hoogte. Bij de evenaar, op de warmste plekken op aarde, ligt de sneeuwgrens op meer dan 5000 meter hoogte. Als de laag eeuwige sneeuw zich steeds verder opbouwt en dikker wordt, gaat deze tenslotte langzaam naar beneden stromen. Daardoor ontstaat een gletsjer. Een andere manier waarop het teveel aan sneeuw naar beneden kan komen is door een lawine. Deelvraag 4: Hoe ontstaat mist? Mist is beperking van het zicht door kleine in de lucht zwevende waterdruppeltjes. Er is in meteorologische termen pas sprake van mist als het zicht aan het aardoppervlak minder dan 1000 meter bedraagt. Bij dichte mist is het zicht minder dan 200 meter, bij zeer dichte mist minder dan 50 meter. Mist kan zich vormen door afkoeling van zeer vochtige lucht (tot onder het dauwpunt) of door menging van koude met warme vochtige lucht. De vorming van mist hangt af van veel factoren, zoals begroeiing, reliëf en de nabijheid van open water. Mist kan ontstaan door afkoeling rond zonsondergang of vaak pas tegen zonsopkomst en vormt zich het eerst boven een weiland waarschijnlijk in de buurt van een sloot waar de lucht vochtig is. De eerste mist zien we dus meestal langs de weg en mistbanken die de weg opdrijven lossen daar in eerste instantie op door luchtbeweging en warmte van het verkeer. De mistvrije "tunnel" kan op sommige weggedeelten een tijdje standhouden, maar op andere plaatsen hangen de mistbanken meteen over de weg. Vooral zo'n situatie, met grote verschillen in zicht, is gevaarlijk voor verkeer dat pas in de mist snelheid mindert. Witte wieven Dikke mistflarden laag bij de grond boven bijvoorbeeld een weiland worden Witte wieven genoemd. Pagina 5 van 6

6 Mistmetingen Het zicht door mist heen wordt gemeten met behulp van een transmissometer. Dit instrument bestaat uit een lamp, die een smalle lichtbundel richt op een fotocel. Bij mist wordt het licht door de waterdruppeltjes verstrooid, zodat de fotocel op enige afstand van de lamp minder licht ontvangt. Hoe minder licht er over blijft hoe dichter de mist en hoe slechter het zicht. De hoeveelheid ontvangen licht is dus een maat voor het zicht. Soorten mist De benamingen die in de meteorologie aan mist worden gegeven verraden de omstandigheden waaronder de mist ontstaat. Grondmist of laaghangende mist is mist beneden ooghoogte. Stralingsmist vormt zich boven een weiland door uitstraling bij helder weer, waarbij na zonsondergang het aardoppervlak afkoelt. De koudere en zwaardere lucht stroomt op een enigszins hellend weiland in de richting van een sloot, waar door menging met vochtige lucht slootmist ontstaat. De plaatselijke mist bereidt zich meestal snel uit, zodat de voor het verkeer zo verraderlijke mistbanken ontstaan. Boven een sneeuwdek kan bij lage temperaturen tegen zonsondergang stralingsmist ontstaan, die zeer dicht kan worden en het zicht plaatselijk tot minder dan 10 meter kan beperken. Door aanvriezing van mist en bevriezing van natte weggedeelten kan het bovendien glad worden, zodat het voor het verkeer zeer gevaarlijk is. Ook bij invallende dooi vormt zich mist boven een sneeuwlaag, omdat de zachtere lucht dan over de koude sneeuw stroomt. De mist ontstaat bij aanvoer van de zachte lucht zodat er ook behoorlijk waait. Advectievemist ontstaat bij aanvoer van relatief warme lucht boven een kouder oppervlak. De warme lucht wordt afgekoeld door het oppervlak. Als de warme lucht veel vocht bevat, wordt de lucht verzadigd en condenseert dan tot mist. In de winter komt deze mistssoort vaak voor, wanneer er door een westenwind vochtige warme lucht van zee wordt aangevoerd die over het koude land trekt. Zeemist ontstaat boven zee wanneer koude lucht over relatief warm zeewater stroomt of wanneer warme lucht in aanraking komt met een koude zee. In het voorjaar en het begin van de zomer kan bij aanvoer van warme lucht uit Zuid-Europa boven de koude Noordzee een uitgestrekt mistgebied ontstaan. Als de aflandige zuidoostelijke wind niet sterk is gaat langs de kust in de loop van de middag een wind van zee waaien, zodat de mist landinwaarts drijft. Deze plotseling van zee opkomende mist wordt zeevlam genoemd. Een oude benaming afkomstig van zeelieden die de mist in noordelijk gelegen arctische gebieden zagen onder het Noorderlicht. Ze dachten dat de zee in lichterlaaie stond en spraken ook wel van arctische zeerook. Regenmist kan ontstaan als het regent uit warmere lucht die op enige hoogte in de atmosfeer wordt aangevoerd, terwijl het aan het aardoppervlak nog koud is. De warmere regen valt dan door de koude lucht waarin zich mist vormt. Regenmist ontstaat ook als na een hevige bui de zon doorbreekt en er weinig wind staat. In het felle zonlicht zien we dan de damp van straten en daken komen. Pagina 6 van 6