Hoe ontstaat een regendruppel?

De vorming en groei van regendruppels speelt zich allemaal af in wolken. Een wolk is eigenlijk een bundel van zwevende waterdruppeltjes of ijskristalletjes. De eerst gevormde druppeltjes zijn nog te klein om met het blote oog te zien. Ook zijn ze te licht om voldoende valsnelheid te krijgen. Om tot een regendruppel te komen moeten deze minuscule druppeltjes binnen de wolk dus groeien. Een volwassen regeldruppel bestaat namelijk uit gemiddeld een miljoen wolkenelementen. De overgang van de wolk naar de regendruppels is vanaf het aardoppervlak niet waar te nemen. Hoe ontstaat een regendruppel eigenlijk?

Wolkenelementen

De vorming en groei van regendruppels vindt dus plaats in wolken. Een wolk bestaat uit waterdruppeltjes, ijskristalletjes of een combinatie ervan. De waterdruppeltjes en ijskristalletjes heten samen wolkenelementen. De hoeveelheid elementen dat gevormd wordt en de verdeling van hun afmetingen hangt af van:

• Het aantal en de grootte van condensatie- en vrieskernen
• De snelheid waarmee de vochtigheid toeneemt
• De mate waarin de lucht verzadigd is met waterdamp (100% vochtigheid)

Een wolk waarin zowel ijskristalletjes als waterdruppeltjes voorkomen wordt een gemengde wolk genoemd. De meeste wolken zijn gemengde wolken.

Groei van regendruppels

De eerst gevormde wolkenelementen hebben een diameter van 5.0 – 20.0 μm (micrometer). Ze zijn nog te klein om met voldoende snelheid te vallen. Daarnaast ze zouden in de warmere lucht onder de wolk meteen weer verdampen. Neerslag die het aardoppervlak bereikt, heeft een diameter van 0.1 mm (motregen) tot enkele millimeters (regendruppels). Omgerekend betekent dat een regendruppel bestaat uit ongeveer een miljoen wolkenelementen. Groei van druppels in een wolk is mogelijk doordat er altijd gelijktijdig grote en kleine waterdruppels/ijskristallen aanwezig zijn. Druppelgroei kan veroorzaakt worden door twee processen.

Het coalescentieproces
Grote waterdruppels vallen met een grotere snelheid dan kleine waterdruppels. Daardoor kunnen grotere druppels de kleinere inhalen, samensmelten en groeien. Als de wolk dik genoeg is (minstens 1 kilometer) en het waterdampgehalte hoog, dan kan de druppel groot genoeg worden om door de wolk heen te vallen. Dit wordt het coalescentieproces genoemd. Een voorwaarde voor dit proces is de aanwezigheid van druppels met een diameter van 30 μm. Druppels van deze orde kunnen ontstaan mits er grote condensatiekernen aanwezig zijn, bijvoorbeeld zeezoutdeeltjes uit de oceanen.

Het Findeisen-Bergeronproces

Ondanks het makkelijke coalescentieproces, is het Findeisen-Bergeronproces de meest belangrijke bij de vorming van grotere druppels. Bij temperaturen lager dan -23°C zijn ijswolken dominant. Bij hogere temperatuur bestaan wolken vooral uit onderkoelde waterdruppels met veel minder ijskristallen. De meest voorkomende wolk is de gemengde wolk, dat uit zowel ijskristalletjes als onderkoelde waterdruppeltjes bestaat. De binding tussen watermoleculen in ijs is sterker dan de binding in vloeibaar water. Bij een gelijke temperatuur zullen daardoor minder watermoleculen uit ijs verdampen als uit vloeibaar water (druppels). De dampdruk is bij ijs daarom lager, omdat er een lagere dampdruk voldoende is om ijskristallen intact te houden. Dit betekent dat er rondom ijskristallen minder waterdampmoleculen bevinden dan bij waterdruppels.

Net zoals met alle processen in de natuur, wil een factor van een hoge waarde naar een lage waarde toe. In een gemengde wolk is daardoor transport van waterdamp uit de omgeving van waterdruppeltjes naar ijskristalletjes. Als gevolg verdampen de waterdruppeltjes en verrijpt (overgang van waterdamp naar ijs) het waterdamp op de ijskristalletjes, die daardoor aangroeien. Het verschil in dampdruk tussen ijs en water is het grootst bij -12°C. Bij deze temperatuur is het effect van dit proces het sterkst. De ijskristalletjes kunnen op deze manier in korte tijd groeien tot een diameter van enkele millimeters. De snelheid waarmee de ijskristallen vallen wordt groter zolang het rijpproces aanhoudt. Tijdens het vallen groeien ze verder door het coalescentieproces. Zo vormen zich sneeuwvlokken, mits de temperatuur onder het vriespunt blijft. Het Findeisen-Bergeronproces vindt dus alleen plaats in wolken waar de temperatuur flink beneden het vriespunt ligt. Tijdens de val naar het aardoppervlak smelten de sneeuwvlokken om in regendruppels.

Lees verder

• Vochtigheid van de lucht
• Condensatiekernen - essentieel voor het Klimaat
• Waarom stijgt warme lucht op?