Stabiliteit van de Atmosfeer

Het is misschien een moeilijke begrip, stabiliteit, maar het staat wel aan de basis van veel belangrijke processen binnen de atmosfeer. Zo kan een onstabiele atmosfeer haar warmte van de zon kwijt of is in staat wolken te vormen. Een stabiele atmosfeer zorgt juist voor een heldere dag vol zon, waar wij in Nederland graag van genieten. Daarnaast geeft de stabiliteit van de atmosfeer veel inzicht in hoe de lucht boven ons nu eigenlijk werkt. Zeker de moeite waard om daar meer van te begrijpen!

Adiabatisch afkoelen

Lucht in de atmosfeer koelt met de hoogte af. Dit is een belangrijk gegeven. In de wetenschap bestaat er droge lucht en natte lucht. Er is aangetoond dat stijgende droge lucht per 100 meter altijd met 1°C afkoelt. Oftewel, altijd 10°C per kilometer. Dit wordt de droog-adiabaat genoemd. Adiabatisch betekent dat er geen uitwisseling van warmte is met de omgeving. Dit komt doordat lucht een slechte warmtegeleider is. Voor natte lucht geldt daarentegen een andere formule. Stijgende natte lucht koelt per 100 meter af met gemiddeld 0.6 °C. De nat-adiabaat koelt dus af met 6 °C per kilometer. Het verschil met de droog-adiabaat wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van kleine waterdruppeltjes (waterdamp) waarmee natte lucht verzadigd is. Als lucht afkoelt verliezen moleculen snelheid. Elk molecuul neemt daardoor minder ruimte in beslag. Als gevolg is er ruimte voor meer moleculen binnen hetzelfde volume. Oftewel, lucht ‘krimpt’ tijdens afkoelen en de dichtheid stijgt weer. De aanwezige waterdruppeltjes tussen de moleculen worden hierdoor naar elkaar toe gedreven en smelten samen. Dit heet condensatie. Condensatie van waterdamp heeft twee oorzaken:

1. Bij het afkoelen is er minder ruimte beschikbaar voor waterdamp, doordat de dichtheid van andere moleculen toeneemt. Doordat er minder ruimte beschikbaar is vinden er meer botsingen plaats tussen waterdruppeltjes.
2. Bij het afkoelen verliezen niet alleen moleculen snelheid, maar ook de waterdruppeltjes zelf. De druppeltjes zijn bij botsing niet meer in staat zich los te maken van elkaar en smelten samen.

Bij het afkoelen verliest waterdamp snelheid of energie, kinetische energie om precies te zijn. Bij condensatie komt dus energie vrij dat door waterdamp geleverd word. Energie is warmte, dus tijdens het afkoelen komt er warmte vrij. Dit is waarom de nat-adiabaat minder snel afkoelt dan de droog-adiabaat.

Stabiliteit

Deze adiabaten geven de grens van stabiele & onstabiele atmosfeer aan. Stabiliteit kan op de volgende manier beschreven worden. Als een luchtdeeltje na een kleine verticale beweging een kracht ondervindt die het naar zijn oorspronkelijke positie terugbrengt, dan is de lucht stabiel. Als het luchtdeeltje daarentegen een kracht ondervindt in de richting van de verplaatsing, dan is de lucht onstabiel. Hieronder staan wat voorbeelden om duidelijkheid te scheppen:

• Situatie 1: Er heerst een atmosfeer waarbij de temperatuur van de lucht met minder dan 1°C per 100m afneemt. Een stijgende droge luchtlaag zal afkoelen met 1°C per 100m. Dit betekent dat de luchtlaag sneller afkoelt met hoogte dan de omringende atmosfeer. Door het snellere afkoelen wordt de dichtheid van de luchtlaag ook groter, koelere lucht krimpt namelijk. De laag wordt zwaarder dan die van de omgevende lucht en zakt terug naar zijn oorspronkelijke positie. De atmosfeer is stabiel.
• Situatie 2: Er heerst een atmosfeer waarbij de temperatuur van de lucht met meer dan 1°C per 100m afneemt. De stijgende luchtlaag koelt nu minder snel af dan de omringende atmosfeer. Door het langzame afkoelen blijft de dichtheid van de luchtlaag ook kleiner. De luchtlaag zal hierdoor blijven stijgen omdat het lichter is. De atmosfeer is onstabiel.

Deze onstabiliteit kan veroorzaakt worden door bijvoorbeeld opwarming van de onderste luchtlaag of instroming van koele lucht op bepaalde hoogte. De temperatuur is dan ergens te koud of te warm en wijkt af van de adiabaat. Zo kan de combinatie van onstabiele atmosfeer en natte lucht leiden tot wolkvorming.

Lees verder

• Waarom stijgt warme lucht op?
• Vochtigheid van de lucht
• Hoe ontstaat een regendruppel?
• Condensatiekernen - essentieel voor het Klimaat
• Waarom is de lucht blauw?