Zo ontstaat regen

Na een relatief droge periode, kregen we in België en Nederland de voorbije dagen wel wat neerslag te verwerken. Regendruppels ontstaan uiteraard in de wolken. Maar welke processen liggen aan de basis van de vorming van neerslag?

Als lucht voldoende vocht bevat, in de vorm van waterdamp, dan kan die waterdamp bij voldoende afkoeling condenseren tot minuscule druppeltjes of sublimeren tot ijskristalletjes. Die druppeltjes en/of ijskristalletjes vormen samen een wolk.

De overgang van water in gasvorm naar vloeibaar water en ijs gebeurt weliswaar niet zomaar in het ijle. Waterdamp condenseert en sublimeert tegen minuscule deeltjes (stof, roet, pollen ...) die in de lucht rondzweven. Die deeltjes noemen we condensatiekernen. Daarnaast gebeurt de bevriezing en sublimatie in een wolk ook niet zoals in onze eigen keuken. Dat komt doordat het water in de wolk veel zuiverder is dan ons leidingwater. Pas bij temperaturen lager dan -10 graden zal een deel van de waterdruppeltjes bevriezen. Vloeibaar water bij vriestemperaturen noemen we onderkoeld water.

De verzadigingsdampdruk van waterdamp boven vloeibaar water is groter dan van waterdamp boven ijs. Daardoor zal er een transport van waterdamp plaatsvinden als beide toestandsfases rond elkaar voorkomen. Onderkoelde waterdruppeltjes verdampen en die waterdamp sublimeert vervolgens tegen de ijskristallen. Het verschil in verzadigingsdampdruk blijkt het grootst te zijn bij van -13 graden Celsius, waardoor bij die temperatuur de aangroei van ijskristallen dus het grootst is. Als het verder afkoelt, vinden we steeds minder waterdruppeltjes terug in vergelijking met ijskristallen. Vanaf -23 graden bevat de wolk enkel nog ijs.

De groeiende ijskristallen worden zwaarder en beginnen naar beneden te vallen. Bij temperaturen net onder het vriespunt klonteren ze samen tot sneeuwvlokken, die vervolgens uit de wolk dwarrelen. Blijft het tussen de wolk en het aardoppervlak vriezen, dan zal het sneeuwen. Zo niet, dan zullen die sneeuwvlokken snel smelten tot gewone regendruppels.

Dat proces, waarbij neerslag ontstaat uit onderkoelde waterdruppels, is bekend als het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces. Het merendeel van de neerslag in onze regio ontstaat op die manier.

Een tweede proces waarbij regendruppels ontstaan, heet coalescentie. Dat houdt in dat de minuscuul gevormde waterdruppeltjes en ijskristallen met elkaar in botsing komen en zo grotere druppels vormen, die dan uiteindelijk door hun toenemende gewicht naar beneden vallen.

Het eerste wat dus nodig is om tot condensatie en sublimatie te komen, is afkoeling van de lucht. Dat kan gebeuren doordat de lucht aan het stijgen gaat. Door de stijging ervaart een luchtdeeltje steeds minder (lucht)druk van de bovenliggende luchtlagen. Daardoor zal de dichtheid van het luchtdeeltje verminderen of, anders gezegd, zal het luchtdeeltje uitzetten. We gaan ervan uit dat het luchtdeeltje nagenoeg geen energie uitwisselt met zijn omgeving. De energie die het nodig heeft om uit te zetten, haalt het dus uit zichzelf en daardoor koelt het af. We noemen dat adiabatische afkoeling.

Wolken en neerslag onstaan dus enkel als lucht begint te stijgen. Enkel dan kan de lucht afkoelen en treedt er condensatie en sublimatie op.

Enkel als het nabij het aardoppervlak koud genoeg is en de lucht vochtig genoeg is, kan de waterdamp ook hier overgaan in waterdruppeltjes. Zo ontstaat mist.