Wetenschapsquiz: boven op een berg kouder?

[Jan van de Velde]

Bessie schreef:

de stabiele, normale atmosfeer, die nou eenmaal op grote hoogte koud en ijl is.

Ik wil niet vervelend doen hoor, geloof me, maar waarom is ie dan koud? Op die hoogvlakte nog steeds hè!

Want daar gaat het helemaal om uiteindelijk.

Niet omdat hij dat nou eenmaal is, maar de reden daarvoor

Zo hoog hoef je overigens niet te gaan. Ik heb in de Padangse bovenlanden gewoond, Midden-West Sumatra, op ongeveer 1500 m hoogte. In rechte lijn 20 km van de westkust (waarheen de bergrug vrij steil afloopt) en circa 100 km van de oostkant van de bergrug, ook weer ongeveer zeeniveau, en nog zo'n 200 kilometer oerwoud te gaan tot de oostkust.

Bij ons overdag gemiddeld maxima 23-24 °C, 's nachts minima 14-15.

Op zeeniveau (west of oost, weinig verschil) overdag 32-33, 's nachts 24-25.

Dagen en nachten elk altijd ca. 12 uur. En zoveel wind hadden we niet. Vaak genoeg bladstil zelfs.

[jhpol]

Ook al is het bijna windstil, lucht die vanaf zeenivo langzaam op een hoogvlakte aankomt koelt door expansie af. Bij standaardatmosfeer ongeveer 0,7 graden per 100 meter. Op 1500 meter is dat ruim 10 graden. Dus dat komt wel ongeveer overeen met jouw waarneming.

Als de lucht vanaf hoogte weer gaat zakken warmt deze weer op. Bij de Alpen heb je dan het fönh effect. Maar daar speelt dan ook mee dat lucht bij het stijgen is gaan uitregenen of sneeuwen en daardoor extra opgewarmd was en droger is geworden.

[Jan van de Velde]

Ook al is het bijna windstil, lucht die vanaf zeenivo langzaam op een hoogvlakte aankomt koelt door expansie af. Bij standaardatmosfeer ongeveer 0,7 graden per 100 meter. Op 1500 meter is dat ruim 10 graden. Dus dat komt wel ongeveer overeen met jouw waarneming.

Is het dan op de berg kouder omdat de lucht ijler is?

[bessie]

Die 1.6 graad per honderd meter is volgens mij afkomstig uit de energiebalans van de opwarmende lucht, afkomstig van het aardoppervlak. Bij het opstijgen neemt de potentiele energie van die lucht toe met g.h per massaeenheid, dus moet de temperatuur afnemen met diezelfde hoeveelheid gedeeld door de soortelijke warmte (600 J/KgK). Omdat g ongeveer 10 is wordt de temperatuurdaling 10/600=1.6/100 (graad per meter).

Hoop dat theoretisch juist is, ik heb deze simpele afleiding nergens terug kunnen vinden.

[jhpol]

Jan schreef:

Is het dan op de berg kouder omdat de lucht ijler is?

Dat was inderdaad het antwoord van de wetenschapsquiz. En in mijn 1e bericht heb ik ook uitgelegd dat, doordat de lucht ge-expandeerd is, het boven kouder is. Maar als je niet uitlegt dat de lucht ge-expandeerd is, maakt je het alleen maar verwarrender. Want dan zou het 's nachts vlak boven de grond toch juist warmer moeten zijn omdat daar de lucht meer samengedrukt is? En toch is het daar kouder.

Als je het in 1 korte zin zou moeten uitleggen zou je niet moeten zeggen dat de lucht ijler is maar ge-expandeerd is. De luchtdruk is dus veranderd. Maar eigenlijk kan je het niet in 1 zin uitleggen.

In de praktijk zal de temperatuursgradient niet hoger worden dan 1 graad per 100 meter. Als het verschil groter wordt is de lucht zo instabiel dat een warm pakketje aan de grond direkt doorstijgt naar boven. Als dat dan met een heleboel luchtpakketjes gebeurd zorgt dit er voor dat het temperatuursverschil minder wordt. Als ik op een dag met mijn zweefvliegtuig wat langer in de lucht kan blijven door de vertikale luchtstomingen, zie ik altijd per 10 meter hoogtewinst mijn thermometer steeds met 1/10 graad zakken.

Maar de lucht is niet altijd instabiel. De standaardatmosfeer gaat uit van 6,5 graad per 100 meter. Deze praktijk is dus niet gelijk aan bovenstaande theorie.

[bessie]

Of het antwoord op de vraag juist of niet was (ijlere lucht) hangt af van de vraagstelling. Is de waarneming op een berg of op een hoger gelegen stuk grond, en hoe groot is dat stuk. Is er een warme zee in de buurt, stormt het.

Het voorspellen en verklaren van weersomstandigheden is ingewikkeld omdat het klimaat ingewikkeld is. Heb je het over macro-klimaat of micro-klimaat. In een huis stijgt de warme lucht op en vormt bovenin een bel. Buiten is het 's nachts anders dan overdag, de grond koelt af door warmte af te geven aan de lucht maar hoeveel is afhankelijk van de geleiding en soortelijke warmte van de grond, begroeiing, bewolking, noem maar op.

De in het begin gegeven verklaring van ijle, dus geexpandeerde lucht is inderdaad erg onvolledig maar duidt op een stroming langs de berghelling omhoog, de betreffende lucht expandeert dan inderdaad omdat de druk daar lager is, de luchtstroom wordt kouder, maar op dat moment dus ook zwaarder en de stijging wordt afgeremd.

Volgens mij blijft de atmosfeer op macroschaal constant onder invloed van de zwaartekracht (de aarde houdt als een van de weinige hemellichamen een atmosfeer vast). Plaatselijke verschillen in opwarming leiden tot thermiek, de lucht koelt af en er treedt al of niet condensatie op, maar door de zwaartekracht worden alle luchtlagen als het ware platgetrokken. Dat hierbij flinke -hoogte-winden optreden is duidelijk merkbaar. Dat de luchtlagen op gematigde hoogten naar boven toe koeler en ijler zijn is door dit systeem eveneens onontkoombaar.

Op microschaal is dit echter minder van toepassing omdat daar nog andere zaken een rol spelen, die te maken hebben met de samenstelling van de aarde, of nog kleiner, in wat voor ruimte de bestudeerde lucht zich bevindt. Per geval moet worden vastgesteld welke factoren van invloed zijn en hoe de waarschijnlijke verklaring van de toestand luidt.

[Jan van de Velde]

Sluit dan voor het gemak stroming, convectie, eens even helemaal uit. Stop dikkere lucht in het ballenmodel, overal even dicht, en de lucht wordt overal gemiddeld (etmaalgemiddelde) even warm.

Nu weer ijlere lucht. Dan zal de ijlere lucht kouder zijn, volgens het ballenmodel. Hoe ijler hoe kouder. Volgens de geleerden met betere modellen met een gradiënt van zo'n 14 K per 1000 m

Voeg nou convectie toe, en je gaat de warmte beter verdelen. Volgens de metingen blijft er van de gradiënt nog zo'n 6,5 K per 1000 m over.

En dus is het op de berg kouder als gevolg van de ijlere lucht, en is het niet zo koud als het zou kunnen zijn als gevolg van convectie.

[bessie]

Nee dat is niet juist. Het gemak is een slechte raadgever als het gaat om het weer. De lucht wordt NIET opgewarmd door directe straling overdag maar door verwarming van de aarde. Ook die wordt niet door straling aan de lucht afgegeven maar door convectie. Een warme opwaartse stroming kan niet willekeurig waar beginnen maar altijd aan de grond.

[Jan van de Velde]

Het gaat niet om het weer. Want dat is een samenstel van een heleboel basisprincipes. Het gaat om dat ene basisprincipe lagere temperaturen want grotere hoogte. Als de zaak van convectie zou moeten afhangen moet het op een hoogvlakte juist warmer zijn, want daar wordt de aarde sterker opgewarmd.

[jhpol]

Maar het weer is wel de praktijk.

Het gaat om welk effect het sterkste is zoals Jan van de Velde eerder schreef. En ik dacht dat dat nog steeds convectie is. Een klein deel van de zonnestraling verwarmd de lucht direkt (ballenmodel) en dan ook nog eens op grote hoogte. Hier praten we over alleen de onderste 8 KM, want daarboven zijn geen bergen.

En hoe verklaar je dan met je ballenmodel dat het in de lente op de noordpool nog zo koud is? 12 uur zon en je hebt daar op lage hoogte toch evenveel lucht als in de Sahara die allemaal door zonnestralen opgewarmd zouden worden? Convectie is bij de noordpool veel minder omdat de zonnestralen schuin op het aardoppervlak aankomen en ook vaak nog wit is dus gereflecteerd wordt. Maar op een zwarte zuidhelling zou het daar nog best lekker opwarmen. Lees even terug naar het verhaal van die zeeman die lag te zonnen bij een luchttemperatuur van -30 graden.

Als er geen convectie zou zijn zou het boven op de berg inderdaad kouder zijn maar ook hier op zeenivo.

[bessie]

Waar Jan op doelt is dat hij een zo simpel mogelijk model van de lucht wil, waarmee de basisprincipes (hoog=ijl, hoog=koud, bij aarde=warm) kan verklaren. Klopt toch Jan? Dus je moet zo min mogelijk verschillende factoren introduceren, zoals kleur en gesteldheid van de grond. Je wilt weten waarom de temperatuur op een berg lager is dan op zeenivo, onder verder gelijkblijvende omstandigheden.

Het is verleidelijk om de lucht te zien als een ballenbak, die beweegt onder invloed van zonnestraling en hoogstens nog een enkel natuurwetje zoals pv=RT, maar zo simpel is het helaas niet. Want zoals de discussie ook omvat, de vraag is welke wet dan de andere overheerst. Ik denk dat zonder veel wiskunde niet is uit te maken waarom (en ik poneer meteen het antwoord) de invloed van directe straling op een gas vele malen kleiner is dan het effect op het aardoppervlak. Misschien is de warmtecapaciteit van lucht veel kleiner dan die van aarde, hoe dan ook, zonnestraling kan honderd keer door een luchtkolom heenvallen zonder die noemenswaardig te verwarmen. Pas als er licht valt op een vast lichaam, bij voorkeur donker, neemt de temperatuur gigantisch snel toe. En als lucht langs zo'n lichaam stroomt neemt het ineens wel warmte op. Nou, dat is dan meteen het simpelste model dat van toepassing is.

's Nachts is van belang, dat de aarde afkoelt, omdat de omgeving (het heelal) dan donker is en de aarde haar energie uitstraalt. Ligt er een wolkendek omheen, dan wordt de uitstraling beperkt en blijft de aarde warmer, en kan de lucht nog behoorlijk opwarmen. Is de lucht helder, dan koelt de aarde snel af en wordt de lucht ook niet meer opgewarmd. Dit is tegengesteld aan overdag, want dan levert instraling direct een hogere oppervlaktetemperatuur op.

Nu wil je dus weten, of het ijler zijn van de lucht op een hoogvlakte invloed heeft op in- en uitstraling. Ik denk het niet maar ik sluit dat niet uit. Natuurlijk wordt de grond op grote hoogte net zo warm als op lage, misschien zelfs wat warmer. Misschien wordt de lucht daar minder makkelijk opgewarmd omdat ze ijler is, misschien juist echter ook niet. Daar is een hoop rekenwerk voor nodig en ik kan je daar niet mee helpen.

In elk geval is het op zo'n grote warme landmassa warmer dan de vrije lucht op dezelfde hoogte, dus die te voelen is op een toren die even ver boven zeeniveau uitsteekt. Alleen zo'n situatie kan nooit stabiel zijn en dus zal via stromingen het verschil worden weggepoetst. Maar welke wetten die stroming volgt (adiabatisch, isotherm, isobaar) is zonder verdere gegevens ook niet meer te zeggen. Ik ben bij deze aan het einde van mijn kennis gekomen en hoop dat anderen je in deze nog verder kunnen helpen, gegroet.

[Jan van de Velde]

Ik denk dat we het grotendeels wel eens zijn, het komt er slechts op neer de vraag van NWQ correct te beantwoorden. Dat het temperatuursverschil dat we waarnemen niet alleen verklaard kan worden met het korte antwoord "ijlere lucht" is zo klaar als een klontje.

Spijtig dat het niemand lukt om de boodschap duidelijk op tafel te krijgen. Misschien dat op enige termijn iemand nog eens een geniale inval krijgt waarmee wél voor iedereen duidelijk wordt waar de schoen wringt.

Tot dan zou ik zeggen...

[jhpol]

Ik ben het ook met jullie eens. En ik heb er ook weer wat van bijgeleerd.