Weerkunde - Hoofdstuk 9: Verticaal evenwicht

• natuurkunde
• HBO
• Studiejaar 3

Weerkunde - Hoofdstuk 9

Bijeenkomst 6 | 2023-2024
Vakdidactiek | Voltijd & deeltijd
Jelle Jagtenberg | Anne Hazenberg

Leerdoelen - Hoofdstuk 9

De student kan:

• op basis van gegeven informatie (diagrammen, tekst, data, formules, etc.) berekeningen uitvoeren en uitleggen wat voor soort evenwicht er in de lucht is (absoluut instabiel, voorwaardelijk stabiel, absoluut stabiel) (redeneren);

• het begrip convectie beschrijven en kan hier contextvoorbeelden van geven.

• thermodynamische diagrammen lezen, interpreteren (weten);

• thermodynamische diagrammen zelf tekenen (toepassen);

o Wat zie je?
o Wat denk je daarbij?
o Wat kun je je nu afvragen?

o Wat zie je?
o Wat denk je daarbij?
o Wat kun je je nu afvragen?

Krachtige stijg- en daalbewegingen

Teken het ontstaan van stapelwolken en buien.

Wolken

Stapelwolken (cumulus + comulonimbus) worden gevormd wanneer de atmosfeer instabiel is (bijv. bij een koufront). 

Gelaagde wolken (stratus) worden gevormd in een stabiele atmosfeer waarin de lucht gedwongen wordt te stijgen, bijvoorbeeld langs een warmtefront.

Elke wolk ziet er ander uit, en elke keer veranderen ze van vorm. Toch zijn er ook bepaalde gelijkenissen. Over het algemeen zien de wolken die je op een bepaald moment in de hemel ziet er ongeveer hetzelfde eruit, omdat de wolken zijn ontstaan onder dezelfde omstandigheden. Als je de verschillende wolkensoorten leert kennen, weet je wat er in de lucht gebeurt en kun je het weer voorspellen. Wolken hebben hun naam te danken aan de hand van hun uiterlijk en vorm. Er is een hoofdverdeling in

drie soorten wolken:

vederwolken (cirrus)

stapelwolken (cumulus)

gelaagde wolken (stratus)

Convectie

Relatief warme lucht stijgt op

Lucht koelt af

Er vindt condensatie plaats

Waarom koelt de lucht af?

Kracht op een luchtpakketje

Luchtpakketje

Vul de volgende woorden op de juiste plek in: 

stijgt; verwarmd; warmte-uitwisseling; adiabatisch; daalt; koelt

• Een luchtpakketje dat warmer is dan de omgeving ...1..., een luchtpakketje dat koeler is dan de omgeving ...2...

• Bij het stijgen ...3... de lucht af, bij het dalen wordt de lucht ...4...

• Bij benadering verloopt de stijging/daling ...5... omdat er weinig tijd is voor ...6... met de omringende lucht 

1. stijgt

2. daalt

3. koelt

4. verwarmd

5. adiabatisch

6. warmte-uitwisseling

Welke omstandigheden zijn nodig om het stijgende luchtpakketje tot stilstand te brengen?

Adiabatisch temperatuurverval (droge lucht)

Adiabatisch temperatuurverval (verzadigde lucht)

Waarom koelt verzadigde lucht minder snel af dan onverzadigde lucht?

Bij verzadigde lucht zal eventueel overtollige waterdamp condenseren tot waterdruppels of ijskristallen, waardoor de temperatuur van de lucht minder snel daalt. Dit proces staat bekend als condensatie en het vrijkomen van latente warmte kan de afkoeling van de lucht vertragen.

Onverzadigde lucht kan meer waterdamp opnemen zonder dat condensatie optreedt. Dus wanneer het afkoelt, zal het sneller afkoelen omdat er geen latente warmte vrijkomt door condensatie. Dit verschil in de mate van afkoeling tussen verzadigde en onverzadigde lucht kan leiden tot verschillende snelheden van temperatuurverandering in de atmosfeer.

Stabiliteit

Stabiel --> luchtpakketje keert weer terug naar evenwichtspositie

Instabiel --> luchtpakketje gaat verder stijgen / dalen

Stabiliteitstypen

Om welke typen stabiliteit (stabiel of instabiel) gaat het in de volgende situaties?  

γ < γ_d 

γ > γ_d

γ < γ_s

γ > γ_s

1. instabiel

2. stabiel

3. instabiel

4. stabiel

Als voor droge (dus onverzadigde) lucht geldt dat γ<γ_d dan wordt bij een kleine verplaatsing (omhoog/omlaag) van een luchtpakketje de temperatuur hoger dan de omgevingstemperatuur; het luchtpakketje gaat dan verder stijgen (resp. dalen). We zeggen dat de lucht instabiel is; als γ>γ_d gaat het luchtpakketje bij een kleine stijging juist weer dalen, dus terug naar de evenwichtstoestand: de lucht is dan stabiel.

Op dezelfde manier geldt dat verzadigde lucht instabiel (resp. stabiel) is als γ<γ_s (resp. γ>γ_s)

Stel dat γ=-15℃/km en γ_d=-10℃/km. Wat gebeurt er met het luchtpakketje?

Voorwaardelijk instabiel komt het vaakst voor. 

Arceer de volgende gebieden:
- γ < γ_d (absoluut instabiel)
- γ_d < γ < γ_s (voorwaardelijk instabiel)
- γ > γ_s (voorwaardelijk stabiel)

yd is de droog-adiabatische temperatuurgradiënt van het luchtpakketje. 

ys is de verzadigde adiabatische temperatuurgradiënt van het luchtpakketje

y is de temperatuurgradiënt van de omgeving

Voorwaardelijk instabiel

γ_d < γ < γ_𝑠 

Vul de juiste woorden in: verzadigd, droog

Een luchtbel met een voorwaardelijk instabiele verdeling gaat stijgen wanneer deze ...1...  is, maar niet als de lucht

...2... is. 

1. verzadigd

2. droog

Bewolking en stabiliteit

Als de opstijgende lucht verzadigd raakt ontstaan wolken. 

Bij wolkvorming in stabiele lucht ontstaan gelaagde (stratisforme) bewolking, in onstabiele lucht ontstaat convectieve (cumulusforme) bewolking

Leg met een berekening uit waarom de temperatuur aan de lijzijde hoger is dan aan de loefzijde.

Thermodynamisch diagram

De gestippelde lijn is het pad van een luchtpakketje dat opstijgt. 

De zwarte lijn is de temperatuurskromme van lucht. 

Bepaal γ, γ_d en γ_s

γ = -10-30/5-0=-40/5 = -8 graden Celsius / km

γ_s = -20-10/7-2=-30/5 = -6 graden Celsius / km

γ_d =10-30/2-0=20/2= -10 graden Celsius / km

Thermodynamisch diagram

Van welk type stabiliteit spreken we over de temperatuurverdeling in de onderste 8 km?

A. absoluut instabiel

B. absoluut stabiel

C. voorwaardelijk instabiel

γ = -8 graden Celsius / km

γ_s = -6 graden Celsius / km

γ_d = -10 graden Celsius / km

γ < γ_d absoluut instabiel

γ > γ_s absoluut stabiel

γ_d < γ < γ_s voorwaardelijk instabiel

-10 < -8 < -6 --> voorwaardelijk instabiel. Zolang de lucht droog is, is de lucht stabiel. Zodra de lucht is verzadigd is de lucht instabiel. 

Thermodynamisch diagram

De lucht in de onderste 4 km is:

A. stabiel

B. instabiel

Onder 4 km is de temperatuur van de luchtbel lager dan de temperatuur van de omgeving en kan alleen door gedwongen convectie blijven

stijgen.

Thermodynamisch diagram

De lucht van 4 tot 9 km is:

A. stabiel

B. instabiel

hierboven is de temperatuur van de luchtbel hoger dan van de omgeving en de bel kan dus blijven stijgen zonder dat er sprake hoeft te zijn van gedwongen stijging.

Thermodynamisch diagram

De temperatuurverdeling is voorwaardelijk instabiel (γ=-8 ℃/km). 

De lucht is stabiel wanneer de lucht onverzadigd is, maar wordt instabiel zodra de lucht verzadigd is. 

Thermodynamisch diagram

Wat voor soort wolk verwacht je vanaf 2 kilometer hoogte?

Waar ligt de top van de wolk? 

Omdat de luchtbel verzadigd is vormt zich een hoge (onweers)wolk van het type cumulus congestus of cumulonimbus.

De top van de wolk ligt op ongeveer 9 km, waar de temperatuur van de luchtbel gelijk is aan die van de omgeving (in feite stijgt de luchtbel nog een beetje verder omdat deze

inmiddels kinetische energie heeft opgebouwd).

Thermodynamisch diagram

Het niveau waarop de opstijgende lucht condenseert, noemen we het opheffingscondensatieniveau of OCN.

Leg uit waar het OCN zich in deze diagram bevindt. 

Thermodynamisch diagram

Op een hoogte van 2 km wordt het pakketje verzadigd --> OCN

Thermodynamisch diagram

Indien de lucht voorwaardelijk instabiel is, kan de gedwongen convectie na het bereiken van het niveau waar verzadiging optreedt overgaan in vrije convectie waardoor de lucht verder blijft stijgen. 

Dit niveau heet het niveau van vrije convectie (NVC). 

Let uit waar het NVC zich in deze diagram bevindt. 

In feite stijgt de luchtbel nog een beetje verder omdat deze inmiddels kinetische energie heeft opgebouwd. 

Antwoord

De isohume doortrekken tot deze lijn de doorgetrokken lijn snijdt. Daarna trek je de lijn terug met - 10 graden per Celsius en vooruit met -6 graden per Celsius

Leerdoelen - Hoofdstuk 9

De student kan: 

• op basis van gegeven informatie (diagrammen, tekst, data, formules, etc.) berekeningen uitvoeren en uitleggen wat voor soort evenwicht er in de lucht is (absoluut instabiel, voorwaardelijk stabiel, absoluut stabiel) (redeneren);

• het begrip convectie beschrijven en kan hier contextvoorbeelden van geven.

• thermodynamische diagrammen lezen, interpreteren (weten);

• thermodynamische diagrammen zelf tekenen (toepassen);