Zie de wind waait door de wolken

Prachtig die stapelwolken die hoog door de lucht zweven. Maar wat drijft die wolken precies voort? En welke invloed hebben ze zelf op de wind? Om daar een goed beeld van te krijgen, was onderzoeker Louise Nuijens een paar dagen in de wolken. Letterlijk.

Louise Nuijens heeft een turbulente tijd achter de rug. Begin juni vloog ze drie dagen urenlang met een vliegtuigje door de wolken boven Duitsland. Niet op weg naar haar vakantiebestemming, maar voor haar ERC onderzoeksproject CloudBrake: het bestuderen van de invloed van wolken op wind en andersom. “We denken vaak dat wolken alleen door de wind worden voortgedreven, maar wolken hebben ook invloed op hoe de wind waait. Ze mengen bijvoorbeeld luchtmassa's die hogerop in de atmosfeer sterker waaien naar beneden. Denk maar aan onweerswolken, vaak begint het hard te waaien zodra die naderen.

Wind profiel metingen schaars

Volgens Nuijens wordt er al veel wolkenonderzoek gedaan, onder andere naar het effect van wolken op het weer of het klimaat en de interactie van wolken met (zonne-)straling. Maar nog weinig studies kijken naar de invloed van stapelwolken (cumulus) op windpatronen. “Windmetingen worden vaak alleen dicht bij het aardoppervlak gedaan, terwijl wolken zich hoger in de atmosfeer bevinden. Metingen van windprofielen door de hele atmosfeer zijn schaars, maar juist ontzettend belangrijk, ook voor het verbeteren van weersvoorspellingen.”

CloudBrake

Met die reden lanceerde ruimtevaartorganisatie ESA in samenwerking met internationale weerinstituten vorige zomer een nieuwe satelliet die windprofielen meet over de hele aarde, de ADM-Aeolus missie. Nuijens: “Maar die satellietmetingen hebben niet de resolutie die nodig is om fundamentele studies te doen naar wind en wolkenprocessen. Met CloudBrake willen we dichter bij de wolken meten wat die windprofielen zijn. We willen metingen doen die ons laten zien hoe wolken wind kunnen beïnvloeden en aantonen dat die metingen een belangrijk onderdeel zijn van wolkenstudies. Een proof of concept dus.”

Speciale sensoren

Om die data te verzamelen, ging Nuijens samen met twee PhD-studenten de lucht in. “We vlogen met twee vliegtuigen van het Duitse lucht- en ruimtevaartcentrum DLR. Zelf vloog ik aan boord van een klein propellervliegtuigje, de Cessna, tussen of onder de wolken om daar de turbulentie en wind dicht bij de wolken te meten. Het andere grotere Falcon vliegtuig vloog hoog boven de wolken om het windprofiel tot aan het oppervlak te meten. Op dat vliegtuig waren LIDAR-sensoren geplaatst. Die zenden lichtstralen uit die door luchtdeeltjes of moleculen worden weerkaatst om zo de snelheid en richting van de wind te meten.”

Zoeken naar kleine stapelwolken

Maar met een vliegtuigje opstijgen en door wat wolken vliegen, is geen abc’tje. Zo moeten er wel ondiepe stapelwolken zijn, maar mogen er niet teveel andere hoge wolken zijn, omdat de LIDAR-systemen dan niet goed meten. Nuijens: “Het was moeilijk zoeken naar een geschikte dag en locatie in het luchtruim. We zochten specifiek naar ondiepere stapelwolken, shallow cumulus convection. Die zijn tussen de 500 meter en twee kilometer dik. Dat soort wolken worden niet goed in weermodellen weergegeven en zijn dus erg lastig te voorspellen, omdat ze heel lokaal kunnen ontstaan en gevoelig zijn voor weersveranderingen. Juist daarom moeten we er veel onderzoek naar doen!”

Toestemming luchtruim

Een andere niet onbelangrijke voorwaarde om te vliegen: toestemming om het luchtruim in te gaan. “Mei en juni zijn goede wolkenmaanden, maar in die periode is het ook druk met alle vakantievluchten”, zegt Nuijens. “Van de Nederlandse luchtverkeerleiding kregen we geen toestemming, terwijl Nederland juist zo'n mooi stapelwolkjesland is. Daardoor konden we alleen over Duitsland vliegen, waar zich snel veel diepere cumulusbewolking vormt. We vertrokken telkens vanaf vliegbasis Oberpfaffenhofen in Zuid-Duitsland. Uiteindelijk hebben we op drie van de vijf dagen die we wilden vliegen een vlucht kunnen maken.”

Flinke beproeving

Gemiddeld zaten de onderzoekers zo’n zes uur per dag in het vliegtuig. Best pittig en vermoeiend, vond Nuijens. “Je zit krap, het is warm of koud en enorm lawaaierig. In de wolken is bovendien veel turbulentie. Ik had daar gelukkig niet zo’n last van, maar een van de studenten werd behoorlijk misselijk. Het was wel belangrijk dat we zelf aan boord zaten - bij een onderzoek moet er altijd een wetenschapper mee. Als er ontwikkelingen zijn, zoals te dichte of te weinig bewolking, moet je kunnen schakelen en bijvoorbeeld besluiten om 100 kilometer verderop te vliegen. Daar heb je dan wel weer toestemming voor nodig. De piloten moesten daarnaast goed uitkijken voor zweefvliegers, die maken graag gebruik van de turbulentie in stapelwolken.”

Optimaliseren windenergie en klimaatmodellen

Nu Nuijens weer met beide benen op de grond staat, kan ze aan de slag met de data van de vluchten. Hoewel het in eerste instantie om fundamenteel onderzoek gaat – het vergaren van zoveel mogelijk kennis – kijkt Nuijens ook al een stap verder. “Beter inzicht in windprofielen en de wederzijdse beïnvloeding van wind en wolken is onder meer van groot belang voor het optimaliseren van windenergie en weer- en klimaatmodellen.”

Onderzoek boven zee

Er zijn nog veel onzekerheden over hoe zulke kleinschalige interacties het weer en het klimaat op grote schaal beïnvloeden, zegt Nuijens. “De fysica achter wolkvorming is in principe wereldwijd hetzelfde, maar de aandrijving van wolken en hun effect op de wind kan wel verschillen. Daarom willen we ook op andere plekken onderzoek gaan doen, met name boven subtropische oceanen, waar deze wolken een grote onzekerheid in klimaatprojecties vormen. Dat is allemaal alleen wel iets complexer, daarvoor moeten we metingen vanaf een schip gaan doen. Voorlopig zijn we nog wel even zoet met de data van de vluchtcampagne boven Duitsland.”