Bewolkt met wind versus helder en koud

Er zijn typisch twee soorten weer ’s nachts. Of het is bewolkt en waait en dan koelt het niet zo erg af, of het is juist helder en koud. Dat heeft alles te maken met wat er gebeurt in de onderlaag van de atmosfeer, de laag die beïnvloedt wordt door de opwarming en afkoeling van het aardoppervlak. “Als het waait en bewolkt is, dan heb je veel turbulente menging in die onderlaag”, legt Bas van de Wiel uit. “Die turbulente stroming zorgt er dan voor dat er warmte van boven naar het aardoppervlak getransporteerd wordt en het aan de grond niet zo afkoelt.” Het omgekeerde kan ook voorkomen: “Als die onderlaag stabiel is, spreek je van laminaire stroming. Daarbij komt er geen warme lucht van boven, terwijl het aardoppervlak afkoelt door de uitstraling van warmte.”

Voorspellen wanneer het ene of het andere weertype zich voordoet, is nog niet goed mogelijk. “Iedereen kent het verschijnsel en we meten het over de hele wereld, maar er is nog geen uitleg voor”, aldus van de Wiel. “We gaan proberen te verklaren, waarom het weer in een keer ’s nachts omslaat. In het ene geval heb je een relatief warme nacht, en in het andere geval is het heel koud of kan er opeens mist optreden.” Best belangrijk dus, want verschijnselen als onverwachte ochtendmist of gladheid zijn een ramp voor het verkeer en nachtvorst kan veel schade doen aan gewassen. En dan is er nog smog. “In Nederland wordt nog weinig gekeken naar het feit dat het weertype een belangrijk effect kan hebben op smog. Heb je rond de kerstdagen mist, dan kan dat heel hardnekkig zijn. Datzelfde geldt voor luchtverontreiniging, bijvoorbeeld van rijdende auto’s. Dat wordt dan niet geventileerd.”

Dat niet alleen, maar in koude gebieden of bij ons in de winter kunnen die stabiele onderlagen zich ook overdag voordoen. “Op de halve wereld is het nacht. Tel daarbij de grote stukken waar het koud is en meer dan de helft van de aarde heeft dit weertype.” Het goed kunnen begrijpen en voorspellen van stabiele onderlagen heeft dus ook invloed op onze klimaatmodellen. “Het klimaat is aan het veranderen, maar door onze onwetendheid over wat er in Arctische gebieden precies gebeurt, worden ook zaken als afsmelt niet goed berekend.” Daarom zitten er bijvoorbeeld nog grote onzekerheden in de verwachte temperatuurstijging deze eeuw, maar ook het weer van morgenochtend wil nog wel eens verrassen, met alle gevolgen van dien. 

De rol van de bodem, de wind en neerslag

Waarom is dit nu zo’n lastig onderwerp? Omdat er zoveel verschillende processen op elkaar inwerken, aldus Van de Wiel: “Je hebt de stralingsprocessen, zoals de uitstraling van warmte door de aarde. Die zijn in competitie met de turbulentie die door de wind wordt gegenereerd. Maar de invloed van de bodem is ook heel groot.” Die bodem is een van de zaken waar hij extra aandacht aan wil besteden. “Bij een betonnen wegdek komt er gemakkelijk warmte vrij uit de bodem en blijft de luchttemperatuur wat hoger. Gras daarentegen werkt als een deken. Dat isoleert en schermt de warmte uit de bodem af en zo kan de lucht heel snel afkoelen.” Een ander fenomeen dat daarmee samenhangt is neerslag. “Een millimeter regen is niet zo interessant, maar dezelfde hoeveelheid sneeuw vormt een laag van een centimeter die alles isoleert, waardoor het in een keer enorm afkoelt. Die sneeuw verandert de fysische eigenschappen van het systeem volledig.” Wind is een andere belangrijke factor. Daar is al een succes geboekt. “’s Nachts zorgt de wind voor turbulentie waarmee er warmte van de lucht naar de aarde wordt getransporteerd. Wij hebben nu een formule gevonden om de kritische windsnelheid te bepalen waarbij die turbulentie in een keer wegvalt. ‘Sudden death’ noemen we dat verschijnsel. Als dat gebeurt, kan het hier zo maar vier of vijf graden kouder worden en in Antarctica wel dertig graden.”

Het zijn de interacties tussen al die processen die Van de Wiel en zijn collega’s beter willen begrijpen en vervolgens een plek geven in de weermodellen. Daarbij kijken ze op alle niveaus, van fundamenteel tot heel toegepast. Dat vraagt om een hoop expertises en samenwerking. “Het aardige is dat ik werk met promovendi met elk hun eigen achtergrond. De een doet metingen, de ander numerieke simulatie en weer een ander is bezig met theorievorming met pure wis- en natuurkunde. Ik begeleid ook een promovendus in Frankrijk die zich met Antarctische data bezighoudt, dan hebben wij daar ook gelijk toegang toe.” Het KNMI is een belangrijke samenwerkingspartner, voor toegang tot allerlei meetgegevens en voor de link naar de praktijk. “Iemand als Peter Baas weet alles van de weerpraktijk; hij heeft jaren bij het KNMI gewerkt. En professor Pier Siebesma is ook aan het KNMI verbonden. Alles wat we hier uitzoeken, kan direct worden toegepast, dat is de kracht van een team van al die verschillende mensen.”

Fysische systemen vereenvoudigen

Zelf ziet Van de Wiel aan de fundamentele kant van het onderzoek. “Wat ik heel leuk vind is om ingewikkelde fysische systemen te vereenvoudigen tot hun essentie. Dat doe je door met wiskundige technieken te kijken hoe de interacties zijn tussen die weerprocessen. In plaats van alle toeters en bellen die je in een praktisch model moet bijhouden, snijd ik alles weg, behalve de essentie. Dan kun je achter de mechanismen komen.” Uiteraard kan het een niet zonder het ander. “Je hebt die geavanceerde numerieke simulaties en modellen wel weer nodig om te kijken hoe realistisch jouw theorie is. Dat doe je continu op basis van observaties. Daarmee kun je je theorie testen, maar je kunt ook weer inspiratie opdoen. Er komen namelijk vaak verrassingen uit de observaties, waardoor je je theorie moet aanpassen, of een nieuwe formuleren.”
Die passie voor natuurkunde zat er al jong in bij Van de Wiel. “Ik las er als kind al boeken over. Ik wilde eigenlijk natuurkunde studeren, maar koos in een opwelling voor Bodem, Water, Atmosfeer in Wageningen, omdat ik ook interesse had in biologie en scheikunde.” De natuurkunde bleef echter trekken, dus na een aantal jaren onderzoek in Wageningen maakte hij de overstap naar de faculteit Technische Natuurkunde bij de TU Eindhoven. En nu de TU Delft. “Als meteoroloog zat ik toch een beetje geïsoleerd in Eindhoven. Om toponderzoek te doen, moet je een grote kritische massa hebben, en dus mensen waar je kruisbestuivingen mee krijgt. Dit is de beste locatie voor omgevingsnatuurkunde. Mijn onderzoek heeft raakvlakken met onderzoek bij LR, zoals windmolenturbulentie, en met de geowetenschappen. Ga je in de meteorologie richting extreem weer dan heb je weer een link met hydrologie en de planning van stad en riolen.”

In het verlengde van zijn liefde voor de omgevingsnatuurkunde heeft hij ook een passie voor de natuur, die hij deelt met zijn kinderen van tien en twaalf. “Mijn grote hobby is wel de natuur. Ik verzamel schedels, dus als ik een dood dier vindt, kook ik dat uit. We zoeken ook slangen. Je hebt maar drie soorten in Nederland. Vind je er een, dan maak je daar een mooie foto van en dan zet je ze weer uit. Mijn kinderen willen, zeg maar, de volgende Freek Vonk worden.” Erg vind Van de Wiel dat niet. “Die man doet heel goed werk voor de popularisatie van de wetenschap en is stiekem nog een goed wetenschapper ook.”

Verwondering

Eigenlijk is Van de Wiel altijd wel met zijn vak bezig. “Je ziet iets en je wilt het kunnen verklaren. Je zit bijvoorbeeld in de auto en boven de weg is het helder, maar daarnaast boven het weiland hangt dichte mist. Die mistbanken kunnen over de weg gaan drijven. Maar waarom ontstaan die mistbanken eigenlijk boven het weiland en niet boven het wegdek?” Die verwondering wil hij ook op zijn studenten overbrengen. “Ik wil ze uitleggen dat je allerlei zaken kunt begrijpen met basale natuurkunde, maar dat er ook nog ontzettend veel uitdagingen blijven. Want telkens als je iets begrepen hebt, komt er iets nieuws dat je niet begrijpt.” Dat is volgens hem ook het belang van academisch onderwijs. “Op school is alles dichtgetimmerd, zo van: dit zijn de wetten van Newton. Hier kun je zeggen: ik weet het ook niet, daarvoor hebben we jullie nodig als nieuwe generatie onderzoekers.”

Gepubliceerd: juni 2016

Bas van de Wiel