Donder en bliksem - hoe werkt het?

Iedereen heeft onbewust wel eens op kleine schaal het resultaat gezien van warme lucht dat opstijgt. Misschien is het een kleine wervelwind op een open vlakte of een vogel die zonder inspanning omhoog glijdt. Dit zijn voorbeelden van omstandigheden waarbij ook onweerswolken gevormd worden. Onweer is het natuurverschijnsel dat wordt gekarakteriseerd door donder en bliksem, maar ook door sterke windpatronen, hagel en zelfs tornado's. Dit type storm wordt uitsluitend gevormd in de zogenaamde 'cumulonimbuswolk'. Het is bijzonder dat wolken zoiets als bliksem en donder kunnen produceren. Oftewel, hoe werkt het?

Onweer

Onweer is simpel gezegd een storm die in staat is bliksem en de daaropvolgende donder te genereren. Deze storm kan door een enkele wolk worden veroorzaakt of door een grotere groep wolken. Alleen de zogenaamde cumulonimbus wolk is in staat om onweer te produceren. Dit soort wolk ontstaat door opstijging van warme, vochtige lucht in een onstabiele omgeving.

Er zijn meerdere mechanismes die kunnen leiden tot een opwaartse beweging van warme lucht, en uiteindelijk dus de vorming van onweerproducerende wolken. Afhankelijk van het mechanisme, bestaan er ook grofweg twee categorieën onweer. Zo leidt de ongelijke verwarming van het aardoppervlak door de zon tot voornamelijk eencellige onweersstormen. Dit zijn stormen waarbij zich hier en daar een verstrooide wolk bevindt. Deze categorie van onweer is dan ook mild en ongevaarlijk. In tegenstelling tot de tweede categorie genaamd ernstige onweersstormen. Hierbij profiteert een storm niet alleen van ongelijke verwarming, maar ook door geforceerde opstijging van warme lucht door bijv. een hittefront of bergen. Ook wordt deze categorie stormen vaak gestimuleerd door luchtstromen hoog in de atmosfeer. Een deel van deze stormen kan gepaard gaan met hoge windsnelheden, hevige hagel, overstromingen en tornado's.

Bliksem - het proces

Tijdens de vorming van een cumulonimbuswolk, ontstaat er een verschil in elektrische lading binnen de wolk. Dit betekent simpelweg dat een deel van de wolk overmatig negatief geladen is, en het andere deel dus overmatig positief. Het verschijnsel bliksem is dus niks anders dan een middel van de natuur om deze twee delen van de wolk gelijk in lading te maken. Lucht is een slechte geleider van elektriciteit, omdat er weinig vrije elektronen in lucht aanwezig zijn. Het ladingsverschil tussen de twee delen van de wolk moet daarom heel hoog zijn voordat bliksem plaatsvindt.

Wetenschappers zijn er nog niet volledig uit hoe het verschil in lading binnen de wolk ontstaat. De meest geaccepteerde theorie is gebaseerd op de vorming van ijskorreltjes in de wolk. Als een druppeltje bevriest, dan concentreren de positief geladen ionen (deeltje met lading) zich in de koelere plekken van het druppeltje. Andersom concentreren de negatief geladen ionen zich in de warmere gebieden. Zodra het druppeltje van de buitenkant begint te bevriezen, ontstaat er een positief geladen schil met een negatief geladen binnenkant. Als ook het binnenste van de druppel begint te bevriezen, zet de druppel zich uit en breekt het in stukjes. Hierbij worden de positief geladen ijsstukjes omhoog gebracht door turbulentie in de wolk. De zwaardere druppeltjes uit het binnenste gedeelte nemen hun negatieve lading mee naar de kern van de wolk. Het resultaat is dat het bovenste gedeelte van de wolk positief geladen is, en de kern van de wolk negatief geladen.

Aangezien de wolk beweegt, oefent de negatief geladen kern van de wolk constant invloed uit op de lucht onder de wolk. De negatief geladen deeltjes in de lucht worden afgestoten, want negatief en negatief gaat niet samen. De positief geladen deeltjes in de lucht onder de wolk worden juist aangetrokken. Dit proces blijft zich opbouwen tot een verschil in lading van wel honderden miljoenen volt. Op het hoogtepunt ontlaadt de bliksem de negatieve kern van de wolk met de positieve lucht eronder of, wat veel vaker voorkomt, met de positief bovenkant van de wolk of van andere wolken.

Soorten bliksem

Het meest voorkomende type bliksem vindt dus plaats binnenin de wolk of wolken. 80% van alle bliksem behoort hiertoe. Dit soort bliksem wordt met een Engelse term sheet lightning genoemd, ook wel 'vlakte bliksem', vanwege de oplichting in het wolkendek. Het tweede type bliksem, waarbij de bliksem contact maakt met het aardoppervlak, maakt meer indruk. Dit wordt cloud-to-ground lightning genoemd. Dit type bliksem representeert 20% van de bliksem die voorkomt. De bliksem slaat hierbij in en is het meest gevaarlijke en beschadigende type.

Donder

De elektrische ontlading van de bliksem verhit onmiddellijk de lucht rondom het pad van de bliksem. In minder dan een seconde stijgt de temperatuur van de lucht tot wel 33.000°C. Warme lucht zet zich uit. Als lucht met deze snelheid wordt opgewarmd, zet het met explosieve kracht uit. De luchtdruk stijgt hierbij drastisch en spreidt zich als een golfklap uit naar de omgeving. Deze golfbeweging met grote drukwisselingen van de lucht nemen wij waar als dondergeluid.

Bliksem wordt waargenomen als een flits. Daarentegen is het dondergeluid relatief langzaam met een snelheid van 330 m/s door lucht. De donder wordt geproduceerd langs het lange bliksempad. Voor een waarnemer op het oppervlak is niet ieder stukje van het bliksempad even dichtbij. Het dondergeluid dat langs het meest dichtstbijzijnde stukje bliksempad wordt gemaakt komt ook eerder aan bij de waarnemer dan het verder gelegen bliksempad. Deze factor verlengt de duur van de donder en geeft het typerende 'rommelende' karakter.

Lees verder

• Stabiliteit van de Atmosfeer
• Waarom stijgt warme lucht op?
• Wat is luchtdruk?