25Luchtmassa’s, fronten en weerkaarten

De ochtend is helder en windstil. Rond het middaguur verschijnen er heel hoog in de lucht dunne witte strepen, die zich langzaam uitspreiden tot een bleke sluier die de Zon dof maakt. In de middag worden de wolken dikker en komen ze lager; tegen de avond valt er een gestage regen. In de nacht wordt het warm en vochtig, en dan brengt een donkere wolkenband een korte, hevige bui en een windstoot. De volgende ochtend is helder, fris en winderig. In twee dagen is er een depressie met haar twee fronten over de stad getrokken.

Weervoorspellers zagen het dagen van tevoren aankomen. Dit hoofdstuk laat zien hoe: de lucht boven ons komt in grote massa’s, de massa’s ontmoeten elkaar langs fronten, en kaarten van de luchtdruk tonen waar ze naartoe gaan.

Wat je al weet

Lucht drukt op alles wat ze raakt; een barometer meet deze druk in hectopascal (de natuurkundeboeken), en op zeeniveau is hij ongeveer $1013\,\mathrm{hPa}$ (Hoofdstuk 23). Wolken ontstaan als vochtige lucht opstijgt en afkoelt (Hoofdstuk 7). Aan de grond waait de wind van hoge druk naar lage druk, en de draaiing van de Aarde buigt hem af: naar rechts op het noordelijk halfrond. Tussen ongeveer $30{}^{\circ}$ en $60{}^{\circ}$ brengen de westenwinden de ene storm na de andere (Hoofdstuk 24).

25.1 Luchtmassa’s

Lucht die dagenlang boven dezelfde plek blijft, neemt het karakter aan van het oppervlak eronder. Boven een warme oceaan wordt ze warm en vochtig; boven bevroren land koud en droog. Als ze wegtrekt, neemt ze dit karakter mee, soms over duizenden kilometers.

Definitie 25.1 (Luchtmassa)

Een luchtmassa is een heel grote hoeveelheid lucht waarin de temperatuur en de vochtigheid op een gegeven hoogte overal ongeveer gelijk zijn. Ze krijgt die van het gebied waar ze ontstond, haar brongebied.

Weervoorspellers geven een luchtmassa een naam van twee letters. De eerste zegt waar ze ontstond: c (continentaal) boven land, dus is ze droog; m (maritiem) boven een oceaan, dus is ze vochtig. De tweede zegt hoe koud ze is: A (arctisch) boven de poolgebieden, P (polair) boven de hoge breedten, T (tropisch) boven de lage breedten. Lucht uit een hete woestijn is cT, heet en droog; lucht uit het Noordpoolgebied is cA, heel koud en droog.

25.2 Fronten

Als een luchtmassa zich verplaatst, ontmoet ze een andere. De twee mengen niet gemakkelijk: ze blijven gescheiden, met een smalle grens ertussen waar het weer verandert.

Definitie 25.2 (Front)

Een front is de grens aan de grond tussen twee luchtmassa’s met een verschillende temperatuur en vochtigheid. Bij een koufront dringt koude lucht in warmere lucht en neemt ze haar plaats in; bij een warmtefront dringt warme lucht in koudere lucht en neemt ze haar plaats in.

Koude lucht is dichter dan warme lucht. Bij een koufront schuift de koude lucht als een wig onder de warme lucht en tilt die steil omhoog. De warme, vochtige lucht stijgt snel op en bouwt hoog oprijzende wolken, cumulus en cumulonimbus: het front brengt hevige buien, soms hagel en onweer, windstoten en een plotselinge daling van de temperatuur. Als het voorbij is, houdt de regen op en klaart de lucht op. Een koufront verplaatst zich snel, tot twee keer zo snel als een warmtefront.

Bij een warmtefront kan de lichte warme lucht de koude lucht niet van de grond wegduwen: ze klimt er langzaam overheen, langs een lange en flauwe helling. Haar wolken verschijnen daarom ver voor het front uit, hoog in de lucht: eerst dunne strepen cirrus, dan een sluier van cirrostratus, dan grijze altostratus. Naarmate het front dichterbij komt, worden de wolken lager en dikker en begint een lange, gestage regen. Als het voorbij is, is de lucht warmer en vochtiger.

Op een weerkaart wordt een koufront getekend als een blauwe lijn met driehoekjes, een warmtefront als een rode lijn met halve cirkels. De symbolen staan aan de kant waarheen het front zich verplaatst. Als een snel koufront een warmtefront inhaalt, smelten de twee samen tot een occlusiefront, dat in paars wordt getekend met beide symbolen.

25.3 Depressies en anticyclonen

Fronten ontstaan in de grote luchtwervels die over de gematigde breedten trekken. Waar lucht opstijgt, is de druk aan de grond lager dan overal eromheen; waar ze daalt, is de druk hoger.

Definitie 25.3 (Depressie en anticycloon)

Een depressie, of lagedrukgebied, is een gebied waar de druk op zeeniveau lager is dan overal eromheen. Een anticycloon, of hogedrukgebied, is een gebied waar hij hoger is dan overal eromheen.

De wind waait van het hogedrukgebied naar het lagedrukgebied, maar de draaiing van de Aarde buigt hem af, zodat hij uiteindelijk bijna om de centra heen waait. Op het noordelijk halfrond draait hij tegen de klok in om een depressie en met de klok mee om een anticycloon; op het zuidelijk halfrond is het andersom. In een depressie stroomt de lucht bij de grond naar binnen, stijgt op, koelt af en vormt wolken: depressies brengen bewolking, regen en wind, en hun fronten. In een anticycloon daalt de lucht en warmt ze op terwijl ze zakt: anticyclonen brengen droog, rustig weer met weinig wind. Een gewone anticycloon heeft in zijn centrum een druk van ongeveer $1020\,\mathrm{hPa}$ of meer; een diepe depressie zakt onder $980\,\mathrm{hPa}$.

25.4 Isobaren en weerkaarten

Om de depressies en anticyclonen te zien, tekenen weervoorspellers kaarten van de luchtdruk. Elk station meet zijn druk en herleidt die tot zeeniveau, zodat een station op een berg kan worden vergeleken met een station aan de kust. Dan worden er lijnen getrokken door alle plaatsen waar de druk gelijk is.

Definitie 25.4 (Isobaar)

Een isobaar is een lijn op een kaart die plaatsen verbindt waar de druk op zeeniveau gelijk is. Isobaren worden gelabeld in hectopascal en worden vaak om de $4\,\mathrm{hPa}$ getekend.

Rond een depressie vormen de isobaren gesloten lussen, met de laagste druk in het centrum, aangeduid met L; rond een anticycloon vormen ze lussen met de hoogste druk in het centrum, aangeduid met H. Waar de isobaren dicht bij elkaar liggen, verandert de druk snel van de ene plaats naar de volgende en is de wind sterk; waar ze ver uit elkaar liggen, is de wind zwak.

Methode 25.5 (Een weerkaart lezen)

1. Zoek de centra: L voor de depressies, H voor de anticyclonen, met hun druk.
2. Lees de isobaren: hun waarden stijgen naar H toe en dalen naar L toe. Isobaren dicht bij elkaar betekenen een sterke wind.
3. Zoek de richting van de wind: op het noordelijk halfrond waait hij bijna langs de isobaren, met de lage druk aan zijn linkerkant, een beetje naar het lagedrukgebied toe gedraaid.
4. Zoek de fronten en de richting waarin ze zich verplaatsen (de kant van hun symbolen), en dan de lucht aan elke kant: wat komt er?

Voorbeeld 25.6 (Het weer in de stad T)

Op de kaart ligt T ten zuiden van het warmtefront en ten oosten van het koufront: in de warme lucht tussen de twee fronten. Het warmtefront is er al overheen getrokken. De isobaren lopen daar van het zuidwesten naar het noordoosten, met het lagedrukgebied in het noordwesten: de wind waait uit het zuidwesten, warm en vochtig. Het koufront komt uit het westen. Zijn driehoekjes wijzen naar het oosten, naar de stad: binnen enkele uren komt er een korte periode met hevige buien en windstoten, daarna draait de wind naar het westen of noordwesten, wordt het koeler en klaart de lucht op.

Een barometer geeft zijn eigen waarschuwing, ook zonder kaart. Stel dat de hele kaart hierboven zonder te veranderen met $40\,\mathrm{km}$ per uur naar het oosten schoof, en dat er een registrerende barometer stond in een station S, ten oosten van de fronten. In tweeënhalve dag zou hij de registratie hieronder tekenen.

Voorbeeld 25.7 (Een barometerregistratie lezen)

De eerste 8 uur stijgt de druk tot ongeveer $1031\,\mathrm{hPa}$: de anticycloon trekt over S, met rustig weer. Dan daalt hij 30 uur lang, met ongeveer $45\,\mathrm{hPa}$: de depressie komt eraan. Hij daalt het snelst een paar uur voordat het warmtefront passeert, langzamer in de warme lucht erachter, en bereikt zijn laagste waarde, ongeveer $986\,\mathrm{hPa}$, precies als het koufront passeert. Dan stijgt hij: de depressie trekt weg, en de koelere, helderdere lucht achter het koufront komt eraan.

25.5 Hoe een weersverwachting wordt gemaakt

Definitie 25.8 (Weersverwachting)

Een weersverwachting is een uitspraak over het weer dat op een plaats in de komende uren of dagen wordt verwacht, opgesteld uit waarnemingen van de atmosfeer en met de wetten van de natuurkunde.

Een weersverwachting wordt in drie stappen gemaakt. Eerst doen weerdiensten over de hele wereld elke dag miljoenen waarnemingen: temperatuur, neerslag, luchtdruk, wind en vochtigheid, gemeten op grondstations, op zee, met weerballonnen, met radar en vanuit satellieten. Dan worden deze waarnemingen ingevoerd in computermodellen: heel krachtige computers berekenen stap voor stap hoe de atmosfeer vanuit haar huidige toestand zal veranderen. Ten slotte lezen weervoorspellers de resultaten, vergelijken ze die met wat ze van hun regio weten, en schrijven ze de weersverwachting.

Geschiedenis — De eerste openbare weersverwachting

In 1854 werd een marineofficier, Robert FitzRoy, aan het hoofd gezet van een nieuw weerbureau in Londen. Elke ochtend om 9 uur maten stations langs de kusten het weer en stuurden ze hun waarnemingen naar Londen met de telegraaf, de nieuwste uitvinding van die tijd. In 1859 bracht een verschrikkelijke storm, de storm van de Royal Charter, veel schepen tot zinken; FitzRoy richtte toen een dienst van stormwaarschuwingen voor zeelieden op, die in februari 1861 begon. Op 1 augustus 1861 ging hij verder en publiceerde hij de eerste openbare weersverwachting in een krant, The Times. Zijn verwachtingen keken een of twee dagen vooruit en waren heel algemeen; ze waren het begin van de weersverwachtingen die we nu lezen.

Weersverwachtingen zijn veel beter geworden. In de afgelopen decennia hebben weervoorspellers er ongeveer elke tien jaar een dag goede verwachting bij gewonnen: een verwachting voor vier dagen vooruit is nu even goed als een verwachting voor één dag vooruit dertig jaar geleden. Maar hoe verder een verwachting vooruitkijkt, hoe minder zeker ze is, omdat kleine fouten in de beginwaarnemingen groeien naarmate de computer verder in de tijd rekent.

In het veld — Een front zien aankomen

Kijk op een dag waarop de weersverwachting een front aankondigt om de paar uur naar de lucht en noteer de tijd, de wolken, de wind en de temperatuur. Komen er voor een warmtefront eerst hoge strepen cirrus? Daalt de temperatuur en verandert de wind als er een koufront passeert? Vergelijk je aantekeningen met de weerkaart van die dag.

25.6 Oefeningen

Oefening 25.1 ★

Geef de betekenis van elk paar letters en zeg of de luchtmassa warm of koud, vochtig of droog is: (a) mT; (b) cP; (c) cT; (d) mP.

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.1.

(a) Maritiem tropisch: warm en vochtig. (b) Continentaal polair: koud en droog. (c) Continentaal tropisch: heet en droog. (d) Maritiem polair: koud en vochtig.

Oefening 25.2 ★

Koppel elk teken van een weerkaart aan zijn betekenis: een blauwe lijn met driehoekjes; een rode lijn met halve cirkels; een lijn die plaatsen met dezelfde druk verbindt; de letter H; de letter L.

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.2.

Blauwe lijn met driehoekjes: een koufront. Rode lijn met halve cirkels: een warmtefront. Lijn die plaatsen met dezelfde druk verbindt: een isobaar. H: het centrum van een anticycloon (hoge druk). L: het centrum van een depressie (lage druk).

Oefening 25.3 ★

Waar of niet waar? Verbeter de onware zinnen. (a) Anticyclonen brengen meestal rustig weer. (b) De wolken van een warmtefront komen na het front. (c) Isobaren dicht bij elkaar betekenen een zwakke wind. (d) Koude lucht is dichter dan warme lucht.

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.3.

(a) Waar. (b) Niet waar: ze komen ervoor, ver vooruit, hoog in de lucht. (c) Niet waar: isobaren dicht bij elkaar betekenen een sterke wind. (d) Waar.

Oefening 25.4 ★

Op de weerkaart van dit hoofdstuk: (a) wat is de druk in het centrum van de depressie? (b) En van de anticycloon? (c) Hoeveel hectopascal ligt er tussen twee naburige isobaren? (d) Hoeveel hectopascal verschilt de druk tussen de twee centra?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.4.

(a) $980\,\mathrm{hPa}$. (b) $1034\,\mathrm{hPa}$. (c) $4\,\mathrm{hPa}$. (d) $1034 - 980 = 54\,\mathrm{hPa}$.

Oefening 25.5 ★★

Zet deze gebeurtenissen in de volgorde waarin ze plaatsvinden als een warmtefront nadert en voorbijtrekt: gestage regen; dunne strepen cirrus; een grijze sluier van altostratus; warmere, vochtigere lucht; de wolken komen lager en worden dikker.

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.5.

Dunne strepen cirrus; een grijze sluier van altostratus; de wolken komen lager en worden dikker; gestage regen; warmere, vochtigere lucht.

Oefening 25.6 ★★

Leg uit waarom de wolken van een koufront hoog oprijzen, terwijl die van een warmtefront in lagen zijn uitgespreid. Gebruik de woorden wig, steil, flauwe helling.

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.6.

Bij een koufront schuift de dichte koude lucht als een wig onder de warme lucht: de warme lucht wordt langs een steile helling opgetild, stijgt snel op en bouwt hoge wolken. Bij een warmtefront klimt de warme lucht langzaam over de koude lucht, langs een flauwe helling: ze stijgt beetje bij beetje op over een lange afstand, en haar wolken spreiden zich in lagen uit.

Oefening 25.7 ★★

Op de weerkaart: (a) waar is de wind het sterkst, bij L of bij H? Hoe zie je dat? (b) Uit welke richting waait de wind ten noorden van L? (c) En ten zuiden van H? (d) Draait de wind met de klok mee of tegen de klok in om L?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.7.

(a) Bij L: daar liggen de isobaren dichter bij elkaar, en de pijlen zijn langer. (b) Uit het oosten (de pijlen wijzen naar het westen, een beetje naar het zuidwesten). (c) Uit het oosten (de pijlen wijzen naar het westen). (d) Tegen de klok in.

Oefening 25.8 ★★

Een barometer in een stad wijst om 6.00 uur $1016\,\mathrm{hPa}$ aan, om 12.00 uur $1009\,\mathrm{hPa}$ en om 18.00 uur $1003\,\mathrm{hPa}$. (a) Hoeveel daalt de druk in 12 uur? (b) Wat komt er naar de stad toe, een depressie of een anticycloon? (c) Welk weer kan de stad verwachten?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.8.

(a) $1016 - 1003 = 13\,\mathrm{hPa}$. (b) Een depressie: de druk blijft dalen. (c) Bewolking, wind en regen, waarschijnlijk met een front.

Oefening 25.9 ★★

Lucht die een week boven de Sahara heeft gehangen, trekt naar het noorden over de Middellandse Zee. (a) Geef deze luchtmassa haar naam van twee letters. (b) Is ze heet of koud, vochtig of droog, als ze vertrekt? (c) Wat zou er aan haar karakter kunnen veranderen terwijl ze de zee oversteekt?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.9.

(a) cT, continentaal tropisch. (b) Heet en droog. (c) Boven de zee neemt ze waterdamp op: ze wordt vochtiger, en de lucht dicht bij het water wordt door de zee een beetje afgekoeld.

Oefening 25.10 ★★

Een verwachting voor vier dagen vooruit is nu even goed als een verwachting voor één dag vooruit dertig jaar geleden. (a) Hoeveel dagen goede verwachting zijn er in dertig jaar gewonnen? (b) Hoeveel is dat per tien jaar? (c) Als dezelfde vooruitgang doorging, over hoeveel jaar zou een verwachting voor vijf dagen dan even goed zijn als de verwachting voor één dag van nu?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.10.

(a) $4 - 1 = 3$ dagen. (b) $3 \div 3 = 1$ dag per tien jaar. (c) Er zijn $5 - 1 = 4$ dagen meer nodig: ongeveer 40 jaar.

Oefening 25.11 ★★★

Gebruik op de weerkaart de schaalbalk. (a) Ongeveer hoeveel kilometer ligt er tussen het centrum L en het centrum H? (b) Bij L liggen twee naburige isobaren ongeveer $80\,\mathrm{km}$ uit elkaar. Met hoeveel hectopascal verandert de druk daar over $100\,\mathrm{km}$? (c) Bij H liggen twee naburige isobaren ongeveer $140\,\mathrm{km}$ uit elkaar. Zelfde vraag. (d) Waar is de wind sterker? Komen de pijlen op de kaart daarmee overeen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.11.

(a) Ongeveer $1350\,\mathrm{km}$ (vierenhalve schaalbalk). (b) $4\,\mathrm{hPa}$ over $80\,\mathrm{km}$: $4 \div 80 \times 100 = 5\,\mathrm{hPa}$ per $100\,\mathrm{km}$. (c) $4 \div 140 \times 100 \approx 2.9\,\mathrm{hPa}$ per $100\,\mathrm{km}$. (d) Bij L, waar de druk sneller verandert; ja, de pijlen zijn bij L langer.

Oefening 25.12 ★★★

Een koufront ligt $300\,\mathrm{km}$ ten westen van een stad en verplaatst zich met $50\,\mathrm{km}$ per uur naar het oosten; een warmtefront ligt $200\,\mathrm{km}$ ten westen van een andere stad en verplaatst zich met de helft van die snelheid. (a) Welk front bereikt zijn stad het eerst, en hoeveel uur eerder? (b) Beschrijf het weer dat elke stad zal zien als haar front passeert. (c) Welke stad zal warmer zijn als haar front voorbij is?

Oplossing

Oplossing van Oefening 25.12.

(a) Het koufront: $300 \div 50 = 6$ uur. Het warmtefront verplaatst zich met $25\,\mathrm{km}$ per uur: $200 \div 25 = 8$ uur. Het koufront komt 2 uur eerder aan. (b) Eerste stad: hoog oprijzende wolken, hevige buien, windstoten, daarna koelere lucht en opklaringen. Tweede stad: steeds lagere gelaagde wolken en een lange, gestage regen, daarna warmere, vochtigere lucht. (c) De tweede stad, die door warme lucht wordt bereikt.

25.7 Probleem: Gaat de wedstrijd door de regen niet door?

Probleem 25.1

Weekendprobleem — een voetbalwedstrijd staat om 15.00 uur gepland in de stad T van de weerkaart; het koufront komt eraan: zijn snelheid wordt op twee kaarten gemeten en het uur waarop het de stad bereikt wordt voorspeld

Om 9.00 uur kijkt een jonge weervoorspeller naar de weerkaart van dit hoofdstuk en daarna naar de kaart hieronder: die toont het koufront bij de stad om 6.00 uur en om 9.00 uur, op een rooster van hokjes van $20\,\mathrm{km}$.

Deel I — De kaart lezen.

1. Ligt de stad op de weerkaart van het hoofdstuk in de warme lucht of in de koude lucht? Welk front is er al overheen getrokken?
2. Uit welke richting waait de wind in de stad?
3. In welke richting verplaatst het koufront zich? Hoe zie je dat aan zijn symbolen?
4. Welk weer zal het koufront brengen als het passeert?

Deel II — De snelheid van het front.

5. Hoe ver naar het oosten ligt het front op de kaart hierboven, op de hoogte van de stad, om 6.00 uur? En om 9.00 uur?
6. Hoeveel kilometer heeft het front zich in deze drie uur verplaatst?
7. Wat is zijn snelheid, in kilometer per uur?
8. Hoeveel kilometer ligt er om 9.00 uur tussen het front en de stad?

Deel III — De verwachting.

9. Als het front dezelfde snelheid houdt, hoeveel uur heeft het dan nodig om de stad te bereiken?
10. Hoe laat bereikt het de stad?
11. Stel dat de hevige buien ongeveer een uur aanhouden nadat het front is gepasseerd. Regent het dan om 15.00 uur nog?
12. Het front zou kunnen vertragen tot $30\,\mathrm{km}$ per uur. Wanneer zou het de stad dan bereiken? Schrijf de verwachting voor de wedstrijd in een of twee zinnen, met beide mogelijke tijdstippen.

Oplossing

Oplossing van Probleem 25.1.

1. In de warme lucht, tussen de twee fronten. Het warmtefront is er al overheen getrokken.

2. Uit het zuidwesten.

3. Naar het oosten: de driehoekjes van een koufront staan aan de kant waarheen het zich verplaatst, en ze wijzen naar het oosten, naar de stad.

4. Hoog oprijzende wolken, hevige buien, misschien onweer en hagel, windstoten; daarna koelere lucht, een wind uit het westen of noordwesten en opklaringen.

5. Op $180\,\mathrm{km}$ om 6.00 uur en op $300\,\mathrm{km}$ om 9.00 uur.

6. $300 - 180 = 120\,\mathrm{km}$.

7. $120 \div 3 = 40\,\mathrm{km}$ per uur.

8. De stad ligt op $480\,\mathrm{km}$: $480 - 300 = 180\,\mathrm{km}$.

9. $180 \div 40 = 4.5$ uur, dat is 4 uur en 30 minuten.

10. 9.00 uur + 4 uur 30 min = 13.30 uur.

11. Nee: de buien zouden rond 14.30 uur moeten ophouden, voor de aftrap.

12. $180 \div 30 = 6$ uur: om 15.00 uur, precies bij de aftrap. Verwachting: “Het koufront zal de stad rond 13.30 uur bereiken, met een uur hevige buien en windstoten, daarna klaart het op: de wedstrijd kan zeer waarschijnlijk worden gespeeld. Als het front vertraagt, kan het om 15.00 uur aankomen en de wedstrijd vertragen.”