Scheepswolken

Vliegtuigen zijn niet de enige veroorzakers van condensatiestrepen. Naast het vliegverkeer levert ook de scheepvaart zijn 'bijdrage'. Bij rustig weer aan de flank van hogedrukgebieden boven de oceaan laten schepen namelijk af en toe wolkensporen achter. De sporen zijn langwerpig, waaieren enigszins uit, lijken soms wat te zig-zaggen en hebben daardoor wel wat weg van rookpluimen. Ze lijken zich weinig aan te trekken van de heersende windrichting. De scheepswolken kunnen tot duizend kilometer lang worden en variëren in breedte van enkele kilometers, dicht bij het schip, tot enkele tientallen kilometers op grotere afstand. De wolkenpluimen blijven enkele uren tot enkele dagen in tact. Op satellietbeelden zijn ze geregeld te zien, waarmee zelfs schepen die zich onder bewolking proberen te verschuilen tegen spionagesatellieten, hun aanwezigheid verraden. Daar was de Amerikaanse marine natuurlijk niet zo blij mee; vandaar dat ze reeds in de jaren zeventig van de vorige eeuw onderzoek begon te verrichtten of te financieren naar het optreden van dit verschijnsel. De weersomstandigheden waaronder scheepswolken ontstaan, konden zo verder worden vastgelegd. Naast de reeds genoemde nabijheid van een hogedrukgebied en de zwakke tot matige wind bleek een hoge luchtvochtigheid vereist van negentig procent of meer. Het zeewater is dan meestal net iets warmer dan de lucht erboven. Vaak is het enigszins mistig of zit er een dunne laag bewolking, - in het meteorologisch jargon stratus of stratocumulus, - op geringe hoogte. Soms valt er uit de stratocumulus wat lichte motregen. In gevallen waarin het temperatuurverloop met de hoogte kon worden vastgesteld, bleek er een dunne, onstabiele en vochtige luchtlaag boven de oceaan aanwezig: de zogenoemde maritieme grenslaag. Aan de bovenzijde daarvan blijft de temperatuur constant of neemt ze zelfs iets toe, een zogeheten inversie. Deze inversie wordt veroorzaakt door dalende luchtbewegingen die kenmerkend zijn voor hogedrukgebieden en heet daarom ook wel subsidentie-inversie. Eventuele stratus- of stratocumulusbewolking bevindt zich net onder de inversie en datzelfde geldt voor de scheepswolken, indien die zich vormen.

Scheepswolken boven de Stille Oceaan voor de Amerikaanse westkust.

1. Scheepswolken boven de Stille Oceaan, 29 april 2002. Satelliet: Terra. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

Wolkenfysica
Het optreden van wolkensporen achter schepen herinnert ons eraan dat er bij een verklaring van wolkenvorming meer komt kijken dan condensatie van waterdamp in tijdens al dan niet gedwongen opstijging afgekoelde lucht. De waterdamp is afkomstig van het aardoppervlak; de zon levert de benodigde verdampingswarmte en klaar is Kees. Als dit het hele verhaal was, zouden de schepen geen invloed hebben op details van de bewolking die bij aanwezigheid van de wolkensporen zichtbaar is. Dat dit in werkelijkheid wel het geval is, komt doordat in de atmosfeer het proces van wolkenvorming op gang wordt gebracht door condensatiekernen, zo leert ons de wolkenfysica. Wolkenfysica is het onderdeel van de meteorologie dat gaat over de vorming en het oplossen van bewolking. Condensatiekernen zijn microscopisch kleine, onzichtbare maar overvloedig aanwezige deeltjes in de lucht. De meeste condensatiekernen zijn van natuurlijke oorsprong; daarnaast is een deel afkomstig van menselijke activiteit, met name verbranding van fossiele brandstoffen of biomassa. Zonder condensatiekernen zou het op aarde steeds onbewolkt zijn en zou de lucht waarin we leven altijd vettig en vochtig zijn; satellietfoto's zouden een oeverloze herhaling vormen van wat we al kennen van de Bos-atlas.


De vorming van scheepswolken in zijaanzicht (boven) en achteraanzicht (onder):
a. De verbrandingsgassen van scheepsmotoren zijn warmer dan de omringende lucht en stijgen langzaam op naar de bovenkant van de maritieme grenslaag.
b. De verbrandingsproducten van de scheepsmotoren bevatten onder andere zwaveldioxide, dat hygroscopische sulfaatdeeltjes kan vormen. De sulfaatdeeltjes fungeren als werkzame condensatiekernen. Het aantal druppeltjes in de wolk neemt daardoor toe en de wolk gaat meer zonlicht terugkaatsen
c. Verdere uitbreiding en uitdunning van het wolkenspoor naar boven toe wordt tegengegaan door de subsidentie-inversie, die als een deksel op de maritieme grenslaag ligt. Soms ontstaan aan beide zijden van het wolkenspoor neerwaartse bewegingen die de eventueel aanwezige bewolking naast de scheepswolken doen verdwijnen.
d. Als het proces van wolkenvorming enige tijd heeft geduurd, is het schip zo ver weg dat geen nieuwe uitlaatgassen de wolk nog kunnen bereiken. Het wolkenspoor dijt uit en wordt breder dan een jonger gedeelte van dezelfde scheepswolk.

De eigenschappen van de kleine deeltjes in de lucht lopen uiteen; vooral als ze makkelijk oplossen in water, blijken ze een grote aantrekkingskracht voor waterdamp te bezitten en een sterke stimulans te vormen voor het ontstaan van wolken. Deeltjes met deze eigenschap noemt men hygroscopisch. De rook van schepen bevat zwaveldioxide, dat hygroscopische sulfaatdeeltjes kan vormen. In de rookpluim is het aantal deeltjes dat voor druppelvorming beschikbaar is, veel groter dan daarbuiten. Dit geldt des te sterker voor de lucht waarin de scheepswolken zich gewoonlijk vormen; deze blijkt namelijk van zichzelf relatief schoon te zijn en weinig werkzame condensatiekernen te bevatten. Daarom zien we de scheepswolken ook alleen op de oceanen. Boven de Middellandse Zee of de Oostzee zijn ze nooit waargenomen omdat de lucht er altijd over land komt aanwaaien en daardoor niet zuiver genoeg is. Boven de Noordzee doen de wolkensporen van schepen zich wel eens voor. Bij noordwestenwinden kan de zuivere oceaanlucht namelijk ook over de Noordzee uitstromen.
Het beschikbare vocht verdeelt zich in de rookpluim van schepen over veel meer condensatiekernen dan daarbuiten. Wolken met veel kleine druppeltjes reflecteren opvallend zonlicht sterker dan andere wolken met evenveel water erin, maar verdeeld over een kleiner aantal grotere druppels. Op deze manier waren de witte pluimen op de satellietfoto's verklaard. Meteorologen kunnen de gebieden aangeven waar zich gemakkelijk scheepswolken vormen en militairen kunnen er bij hun manoeuvres rekening mee houden.

Scheepswolken boven de Stille Oceaan voor de Amerikaanse westkust. (MODIS)

2. Scheepswolken boven de Golf van Biskaje en de Atlantische Oceaan; 27 januari 2003. Rechts is de Franse westkust in beeld, rechtsonder de Spaanse noordkust. Satelliet: Aqua. Bron: NASA/GSFC MODIS Land Rapid Response Team.

4. Rook van branden in Oregan en Californië is weggedreven naar de Stille Oceaan en steekt geel-bruin af tegen de overige bewolking. Ten noorden en ten westen van de rookpluim zijn scheepswolken te zien. Ten zuiden van de rook ligt de tropische cycloon Elida. Datum: 29 juli 2002. Satelliet: Seastar. Bron: NASA/GSFC SeaWiFS Project.

Openluchtlaboratorium
Ook al leek het verschijnsel nu volledig verklaard, toch bleven onderzoekers geïnteresseerd in de scheepswolken. Na de militaire invalshoek van de jaren zeventig van de vorige eeuw, werd in de decennia daarna het onderzoek naar klimaat en klimaatveranderingen de drijfveer. Men vermoedt dat bewolking bij die klimaatveranderingen een belangrijke rol speelt; daarom wilde men meer te weten komen over de processen die met wolkenvorming gemoeid zijn. Ook de invloed van menselijke activiteit op het gedrag van bewolking moet daarbij in kaart gebracht worden. Scheepswolken vormen in dat kader een dankbaar studieobject; bovendien zijn de omstandigheden om dat onderzoek uit te voeren in de regio's waar de scheepswolken optreden, ideaal. Over het algemeen komt daar namelijk weinig turbulentie of convectie voor, wat erop neer komt dat de atmosfeer er rustiger is dan boven land. Daarnaast vormt de subsidentie-inversie aan de bovenzijde van de maritieme grenslaag als het ware een deksel op die laag die voorkomt dat de te onderzoeken stoffen te sterk verdunnen. Zoals gezegd ontstaan scheepswolken uit een bron van verontreiniging in relatief schone lucht; aan die verontreiniging kan daardoor makkelijk gemeten worden. Vergelijk dit met de situatie boven land, waar zoveel uiteenlopende verontreinigingsbronnen zijn die vanuit verschillende locaties stoffen in de dampkring brengen, dat je het overzicht snel kwijt bent. Bovendien is de uitwisseling met hoger gelegen luchtlagen boven land over het algemeen veel intensiever, zodat de te meten stoffen sterker verdund raken en moeilijker meetbaar zijn. We zagen reeds dat de scheepswolken zich enkele uren tot enkele dagen kunnen handhaven; dat is lang genoeg om de onderzoekers, meestal wolkenfysici, rustig hun werk te laten doen. Kortom, de gebieden waarin zich wolkensporen van schepen bevinden, vormen een ideaal openluchtlaboratorium voor wolkenfysici, die daar dan ook dankbaar gebruik van maakten. De werkvoorbereiding vond thuis of op een instituut plaats aan de hand van satellietfoto's; voor het eigenlijke meetwerk moest men met meetvliegtuigen naar het openluchtlab.
Dat leverde onder meer de volgende onderzoeksresultaten op: In de scheepswolken bleek het aantal waterdruppeltjes per kubieke centimeter het dubbele van wat daarbuiten werd gemeten. De diameter van de druppeltjes was zes procent kleiner, veelal te klein om nog motregen te kunnen opleveren. De hoeveelheid wolkenwater per kubieke meter bleek verdubbeld! Vooral dat laatste was totaal onverwacht; voor de verklaring van scheepswolken zoals die in de hierboven werd gegeven, was een toename van de waterinhoud namelijk niet noodzakelijk. Het reflecterend vermogen van de scheepswolken wordt door dit effect extra opgevoerd. Satellietdata lieten zien dat de scheepswolken dertien procent helderder zijn dan de omringende bewolking.

Scheepswolken boven de Noordzee, 21 juni 1983 (NOAA/KNMI)

3. Scheepswolken boven de Noordzee, 30 maart 2004. Bron: NOAA/Institut für Meteorologie, Freie Universität, Berlijn.

Gevolgen voor klimaatverandering
De onderzoeksresultaten zijn belangrijk voor de studie van klimaatverandering. Kennelijk bevordert de uitstoot van zwaveldioxide (SO2), dat naast koolstofdioxide (CO2) vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen, de wolkenvorming. Tevens verhoogt het de reflectiviteit van bewolking en onderdrukt het de neerslag. Zonlicht dat door wolken wordt teruggekaatst, bereikt het aardoppervlak niet meer en kan ook niet worden vastgehouden door het broeikaseffect. Mogelijk verklaart deze gang van zaken dat de temperatuurstijging op het zuidelijk halfrond, waar minder menselijke activiteit plaatsvindt en waar minder biomassa wordt verbrand, groter is dan op het noordelijk halfrond.
Dit betekent overigens niet dat we de opwarming van de aarde kunnen tegengaan door meer fossiele brandstoffen te gebruiken. Het CO2 verblijft jaren in de atmosfeer en verspreidt zich over de hele aardbol De sulfaatdeeltjes vallen langzaam naar beneden of regenen uit, verblijven daardoor korter in de dampkring en steken vrijwel nooit de evenaar over. De opwarming CO2 is dus mondiaal terwijl de tempering van de aanwarming door SO2 en daarvan afgeleide stoffen slechts regionaal plaatsvindt.

Vorig hoofdstuk index volgend hoofdstuk