HOOFDSTUK 5  
LUCHTDRUK EN WIND


Verband tussen luchtdruk en wind

De wind is van grote invloed op het weer. Enerzijds voert hij van grote afstand bijvoorbeeld warme of koude lucht naar onze omgeving, wat direct doorwerkt in de hier gemeten temperatuur. Anderzijds drukt hij zijn stempel op de weersomstandigheden op lokale schaal. Zo gaat bijvoorbeeld een stevige wind de nachtelijke afkoeling tegen; ook kan de wind in de zomer heel wat stof en in winter heel wat sneeuw doen opwaaien. In dit hoofdstuk wordt de rol van de wind besproken.

Wind is niets anders dan de stroming van de lucht.Wind ontstaat doordat de lucht beweegt van plaatsen met hogere luchtdruk naar plaatsen met een lagere luchtdruk; die luchtdrukverschillen zijn op hun beurt weer een gevolg van verschillen in opwarming van het aardoppervlak, bijvoorbeeld tussen tropen en gematigde breedten of poolstreken of tussen land en zee of oceaan.

De functie van de wind is om die luchtdrukverschillen ongedaan te maken. Vindt de verplaatsing van de lucht over heel grote afstanden plaats, dan gaat ook nog de draaiing van de aarde een rol spelen, zoals we in het hoofdstuk over de algemene circulatie reeds zagen.
Het effect van die draaiing is dat de lucht die grote afstanden aflegt, zich op het noordelijk halfrond rond een lagedrukgebied tegen de wijzers van de klok in verplaatst en rond een hogedrukgebied met de wijzers van de klok mee; op het zuidelijk halfrond is dit net andersom. De luchtstroming is ongeveer evenwijdig aan de isobaren of maakt daar een kleine hoek mee. Daardoor stroomt de lucht niet langer rechtstreeks van hoog naar laag en wordt de vereffening van de luchtdrukverschillen bemoeilijkt.


LINKS: Isobaren en richting van de luchtstroming. De luchtstroming is ongeveer evenwijdig aan de isobaren. De wind waait met de wijzers van de klok mee rond een hogedrukgebied.
RECHTS: Isobaren en richting van de luchtstroming. Door wrijving met het aardoppervlak volgt de wind de isobaren niet exact, maar maakt er een kleine hoek mee. De wind waait tegen de wijzers van de klok in rond een lagedrukgebied.

In het weerkaartjes is dit duidelijk te zien. In de figuur zijn lijnen van gelijke luchtdruk (isobaren) weergegeven. Het kaartje toont een weersituatie met een hoge- en een lagedrukgebied. De pijlen geven de stromingsrichting en dus de richting waar de wind heen waait. De windrichting volgt min of meer de richting van de isobaren; zonder het effect van de draaiing van de aarde zou de wind loodrecht op de isobaren staan.

Als de lucht van de ene plaats naar de andere stroomt, wordt hij daarin bij het aardoppervlak gehinderd door de ruwheid van het oppervlak; deze veroorzaakt wrijving, die de luchtstroming afremt en doet afbuigen. Het gevolg is dat de lucht niet precies evenwijdig aan de isobaren stroomt, maar enigszins naar de lage druk toe. De windrichting maakt een hoek met de richting van de isobaren. In de figuur hiernaast geven de pijlen de werkelijke luchtstroming vlak bij het aardoppervlak weer. Door de wrijving is de wind nu toch enigszins van hoge naar lage druk gericht. In de figuur is dat met pijlen aangegeven.In de volgende paragraaf gaan we wat dieper in op het verschijnsel wind; we gebruiken daarbij onderwerpen uit de natuurkunde.




Wind, een krachtenspel


Wind is bewegende lucht; de beweging wordt bepaald door luchtdrukverschillen, draaiing van de aarde en eventuele wrijving met het aardoppervlak. Uit de natuurkunde is bekend dat er op voorwerpen die van richting of snelheid veranderen, een of meer krachten moeten werken; bij stilstand of constante snelheid werken er geen krachten of heffen de werkzame krachten elkaar op. Twee krachten kunnen elkaar bijvoorbeeld opheffen als ze even groot zijn, maar precies tegengestelde kanten opwijzen. Voor lucht geldt hetzelfde als voor alle andere 'voorwerpen uit de natuurkunde'. In dit geval zijn de volgende krachten van belang: de luchtdrukgradiŽntkracht, de corioliskracht en de wrijvingskracht. Als de lucht zich niet in een strakke, rechtlijnige stroming bevindt, maar wordt meegevoerd in een slingerend stromingspatroon, is er ook nog sprake van een middelpuntzoekende kracht.

De luchtdrukgradiŽntkracht.

Wanneer er over een bepaald gebied luchtdrukverschillen optreden, spreekt men gewoonlijk van een luchtdrukgradiŽnt; de luchtdrukverschillen veroorzaken een kracht die luchtdrukgradiŽntkracht wordt genoemd. De luchtdrukgradiŽntkracht wijst van hoge druk naar lage druk. De luchtdrukgradiŽntkracht brengt een luchtmassa in beweging; de bewegingsrichting is in de richting van die kracht en dus gericht naar de lagere druk. Als alleen de gradiŽntracht op een luchtmassa werkzaam zou zijn dan zouden alle aanwezige horizontale luchtdrukverschillen snel verdwijnen.

Dit is echter niet het geval doordat er nog een tweede kracht werkzaam is:

- De corioliskracht of afwijkende kracht van de aardrotatie.
Deze kracht wordt veroorzaakt door de draaiing van de aarde. Door de corioliskracht krijgt de stroming een afbuiging, afhankelijk van de plaats op aarde en van de windsnelheid: op het noordelijk halfrond is er een afbuiging naar rechts (kijkend met de wind mee), die groter is naarmate de plaats waar men zich bevindt verder van de evenaar verwijderd is. Verder geldt dat naarmate de windsnelheid hoger is, de lucht sterker afbuigt. In eerste, overigens zeer goede, benadering stelt zich een evenwicht in tussen de luchtdrukgradiŽntkracht, die naar het lagedrukcentrum is gericht, en de corioliskracht, die precies de tegenovergestelde kant op wijst. De wind die dan waait noemen we geostrofische wind. De luchtdrukgradiŽntkracht en de corioliskracht zijn er altijd, ongeacht de hoogte waarop de lucht beweegt. Voor een luchtstroming dicht bij het aardoppervlak moeten we nog rekening houden met een derde kracht:

- De wrijvingskracht.
Nabij het aardoppervlak wordt de luchtstroming afgeremd door wrijving; deze is afhankelijk van de ruwheid van het oppervlak.





Een open vlakte of een polderlandschap is niet zo ruw, een bosachtig of verstedelijkt gebied is zeer ruw. Door de wrijvingskracht neemt de windsnelheid af; tegelijkertijd wordt daardoor de afbuiging als gevolg van de corioliskracht minder en beweegt de stroming weer meer in de richting van het lagedrukcentrum. Een factor die ook van invloed is op de wrijvingskracht, - en dus op de windrichting en de windsnelheid, - is de mate van stabiliteit van de atmosfeer: in een stabiele atmosfeer is de wrijving het grootst.


Figuur A: De gradiŽntwind rond een hogedrukgebied (real wind) is groter dan de geostrofische wind bij de gegeven isobarenafstand. Figuur B: De gradiŽntwind rond een lagedrukgebied (real wind) is kleiner dan de geostrofische wind bij de gegeven isobarenafstand

De middelpuntzoekende kracht.

De luchtdrukgradiŽntkracht en de corioliskracht zijn er altijd, ongeacht het stromingspatroon. Volgt de lucht een gekromde baan dan is er nog een andere kracht in het spel: de middelpuntzoekende kracht. Deze kracht doet de lucht afwijken van zijn rechtlijnig pad en dwingt hem in een gekromde baan. Ook nu geldt dat er zich in eerste instantie een evenwicht instelt. De middelpuntzoekende kracht wijst steeds in de richting van het middelpunt van de cirkelbaan die wordt gevolgd. In de figuur hiernaast (boven) is dat middelpunt de kern van het lagedrukgebied; middelpuntzoekende kracht en gradiŽntkracht wijzen in dezelfde richting, namelijk naar de lagedrukkern. De luchtdrukgradiŽntkracht levert dus de middelpuntzoekende kracht, al kan deze door 'tegenwerking' van de corioliskracht niet volledig worden benut. In de figuur hiernaast (onder) is het centrum van het hogedrukgebied het middelpunt van de cirkelbaan; middelpuntzoekende kracht en corioliskracht wijzen in dezelfde richting, namelijk van de hogedrukkern af. Daardoor levert in dit geval de corioliskracht de voor een cirkelbeweging noodzakelijke middelpuntzoekende kracht, al kan deze ditmaal door 'tegenwerking' van de gradiŽntkracht niet volledig worden benut.

Waait het rond een lagedrukgebied nu meer of minder dan rond een hogedrukgebied als de luchtdrukgradiŽntkracht, en dus de afstand tussen de isobaren, in beide gevallen hetzelfde is? Het antwoord is: 'minder'; rond een hogedrukgebied moet de corioliskracht namelijk de middelpuntzoekende kracht leveren, ondanks tegenwerking van de luchtdrukgradiŽntkracht; de corioliskracht is dan dus groter dan de luchtdrukgradiŽntkracht. Rond een lagedrukgebied is de corioliskracht juist kleiner dan de luchtdrukgradiŽntkracht.

Gegeven was dat de  luchtdrukgradiŽntkracht in beide gevallen dezelfde is, zodat bij de hogedruksituatie de grootste corioliskracht hoort. Reeds eerder zagen we dat een grotere corioliskracht zich alleen kan voordoen bij een grotere windsnelheid, dus rond het hogedrukgebied staat bij gelijke isobarenafstand de meeste wind.

Desondanks koppelen we situaties met storm en veel wind gewoonlijk aan lagedrukgebieden. Dat is terecht, want bij lagedrukgebieden kunnen zich veel grotere luchtdrukgradiŽnten voordoen, zodat het daar tůch veel harder kan waaien.

Samenhang weer en luchtdrukpatronen

In het voorgaande zagen we dat wind wordt veroorzaakt door verschillen in luchtdruk. Deze luchtdrukverschillen manifesteren zich vooral in de grote hoge- en lagedrukgebieden die het weerpatroon in Europa - en daarmee het weer in Nederland - bepalen. Het verband tussen wind en luchtdrukpatroon is duidelijk te zien als we naar een weerkaart kijken:

Hierop zien we Europa en het aangrenzend deel van de Atlantische Oceaan; tevens zijn er om de 5 hPa isobaren ingetekend. We kunnen op zo'n weerkaart gebieden aanwijzen waar de luchtdruk relatief hoog is, terwijl boven andere gebieden de luchtdruk juist lager is. Op het kaartje zien we onder andere een hogedrukgebied boven ScandinaviŽ; het veroorzaakt in onze omgeving noordoostelijke winden; de lucht stroomt namelijk met de wijzers van de klok mee rond het hogedrukgebied. Een noordoostelijke stroming transporteert 's winters koude, zogeheten continentale polaire lucht (zie het hoofdstuk over weersituaties) uit SiberiŽ naar Nederland. Gevolg: koud weer en vorst. In de zomer mogen we in dit soort gevallen juist op zonnig en warm weer rekenen.

Ook een weerkaart als hiernaast kun je het hele jaar door tegenkomen, hoewel de lagedrukgebieden in de zomer gewoonlijk minder diep zijn. Boven Schotland ligt in dit geval een diepe depressie. De hogedrukgebieden liggen meer naar het zuiden ter hoogte van de Middellandse Zee en de Azoren. Boven West-Europa staat dan een zuidwestelijke stroming, waarmee vochtige, 's zomers koele en 's winters zachte lucht wordt aangevoerd. Het is dus belangrijk om te weten waar de hoge- en lagedrukgebieden zich bevinden, omdat hieruit te verwachten is wat de wind gaat doen en wat voor lucht hij zal aanvoeren.


Structuur van de wind

De meeste mensen zijn vooral geÔnteresseerd in de wind vlak bij het aardoppervlak en op een bepaalde plaats.
Het gaat daarbij om de onderste tientallen meters van de atmosfeer. In deze laag wordt de wind sterk beÔnvloed door de terreinomstandigheden en door kleinschalige meteorologische processen. Daardoor vertoont de wind een grillig patroon. We hebben allemaal wel eens gemerkt dat de wind in buien sterk van snelheid en richting kan wisselen en dat ook de aanwezigheid van bijvoorbeeld gebouwen of bomen de wind lokaal sterk beÔnvloedt In de figuur is een registratie van de wind weergegeven; onder is de windsnelheid afgebeeld, boven de windrichting. Voor alle duidelijkheid: de windrichting is de richting van waaruit de wind waait; bij noordenwind beweegt de lucht dan ook van noord naar zuid. We zien dat de wind-snelheid snelle variaties vertoont, met fluctuaties in de orde van seconden tot minuten.

Daarnaast vertonen windrichting en wind-snelheid ook een dagelijkse gang; zie hiervoor verder paragraaf.




Windregistratie op een heldere dag; de tijd loopt van 00 tot 20 uur

Turbulentie

De wind gedraagt zich vrijwel altijd grillig: de luchtstroming is turbulent. Soms zijn de fluctuaties sterk, dan weer zwak. Wervels met verschillende afmetingen geven de wind een grillige karakter. De grootte van deze wervels varieert van enkele millimeters tot tientallen of zelfs honderden meters. De snelheid waarmee de wervels bewegen en ronddraaien, varieert sterk. Voor het belangrijkste gedeelte worden die wervels veroorzaakt door de luchtstroming in samenhang met de ruwheid van het terrein. Hoe ruwer het terrein, des te groter en grilliger de wervels die ontstaan. Verder kan de turbulentie van de wind nog in de hand worden gewerkt door plaatselijk sterk wisselende temperaturen. Hoe sterker de temperatuurverschillen over korte afstand zijn, hoe grilliger de wind.Turbulentie komt niet alleen voor dicht bij de grond, maar kan op allerlei hoogten in de atmosfeer een rol spelen; daarom is het verschijnsel ook van belang voor de luchtvaart, zoals verderop in dit hoofdstuk wordt beschreven.



Windverandering met de hoogte

Dat er wervels ontstaan, waarin de wind voortdurend verandert in richting en sterkte, is mede een gevolg van de verandering van de wind met de hoogte. Direct aan het aardoppervlak beweegt de lucht niet; vlak erboven neemt de wind echter sterk toe met de hoogte, doordat de invloed van de wrijving naar boven toe minder merkbaarwordt. Dat geldt met name voor de onderste tientallen meters. De figuur toont het verloop van de gemiddelde windsnelheid met de hoogte, het zogeheten 'wind-profiel'. Een obstakel, bijvoorbeeld een gebouw, beÔnvloedt het windprofiel tot grotere hoogte; in de figuur hieronder is dat schematisch weergegeven. Uit die figuur is ook af te leiden dat er aan de voorkant van een obstakel een stuweffect plaats vindt.

Windprofiel: verandering van de wind met de hoogte.


In de winter als er sneeuw ligt en het stevig waait, kan de wind de sneeuw tegen obstakels blazen en daar ophopen. Ook wordt verse sneeuw door de wervels steeds weer opgewaaid. Aan de achterkant van obstakels ontstaat een gebied waar het minder waait, maar waar wel veel wervels voorkomen, zodat ook daar sneeuw zich kan ophopen. Uit de figuur is te zien dat het gebied aan de lijzijde, waar de wervels optreden, vrij groot is. In de praktijk kan de vuistregel gehanteerd worden dat de grootte van dat gebied ongeveer 15 keer de hoogte van het obstakel is. Bij dwarswind op een snelweg waar bijvoorbeeld geluidsschermen staan, kan dat goed merkbaar zijn. Als de schermen laag zijn, zal de rijstrook naast het scherm waar de wind vandaan komt, weinig last ondervinden. Op de ander rijstrook kunnen dan sterke vlagen optreden. Wervels treden ook op in luchtstromingen boven de oceaan waarbij bergachtige eilanden als obstakel fungeren. Dat geeft geregeld aanleiding tot schitterende wolkenpatronen (zie satellietbeeld).

Wervelpatronen in de luchtstroming achter Guadalupe.>>



Gemiddelde wind

Uit het onderstaande blijkt dat de wind vlak bij het aardoppervlak vrijwel altijd fluctueert: de wind is vlagerig. Die vlagerigheid hangt sterk af van de aard van het terrein, maar ook van de windsnelheid en de nabijheid van eventuele buien. In het weerbericht wordt desondanks in het algemeen gesproken over een bepaalde windrichting en een bepaalde windsterkte; daarbij wordt wel een onderscheid gemaakt tussen de kustgebieden en het binnenland. Waarschuwingen voor windstoten (windvlagen) worden apart vermeld. Daarbij vindt geen differentiatie plaats naar de aard van het terrein.


wind rond gebouwen; bovenaanzicht (boven) en zijaanzicht

Daarbij vindt geen differentiatie plaats naar de aard van het terrein. De windrichting geeft de richting waar de wind vandaan komt; ze wordt gewoonlijk opgegeven in kompasstreken (noord, oost, zuid en west) en tussenstreken (noordoost, zuidoost, zuidwest en noordwest). Als alternatief gelden graden ten opzichte van noord: noordenwind is dan 0 of 360 graden, oost 90 graden, zuid 180 graden enzovoort.




De eenheid voor de windsnelheid is m/s of km/uur; in de luchtvaart en de scheepvaart zijn ook knopen (zeemijl per uur) gangbaar. Een veel voorkomende aanduiding is de windkracht volgens de schaal van Beaufort; windkracht 7 in het weerbericht betekent kracht 7 op de beaufortschaal. Het verband tussen windsnelheden volgens de schaal van Beaufort en de andere eenheden voor windsnelheid is gegeven in de tabel; tevens is een omschrijving gegeven van het effect van de wind op de omgeving.

Bij een winddraaiing worden vaak de termen ruimen en krimpen gebruikt. Bij ruimen draait de wind met de wijzers van de klok mee, dus bijvoorbeeld van 180 naar 240 graden of van zuid naar zuidwest. Een krimpende wind draait tegen de wijzers van de klok in, bijvoorbeeld van 90 naar 360 graden of van oost naar noord.



Volgens de voorschriften van de WMO (Wereld Meteorologische Organisatie) moet de wind op meteorologische stations gemeten worden op een hoogte van 10 meter boven open terrein; hierin mogen geen obstakels voorkomen. In het weerbericht wordt gewerkt met de over 10 minuten gemiddelde windsnelheid die optreedt op een dergelijke locatie. De windsnelheid en windkracht volgens de schaal van Beaufort hebben dus altijd betrekking op deze gemiddelde wind op 10 meter hoogte in open terrein. De waarnemingsposities van andere organisaties dan het KNMI voldoen niet altijd aan de WMO-normen; dat geldt vooral voor de terreinomstandigheden.

Om de wind van het weerbericht te vergelijken met de wind op een willekeurige meetpositie, zijn de volgende vuistregels goed bruikbaar:
1:  staat de windmeter in open terrein, dan is de gemeten wind vergelijkbaar met die van het weerbericht.
2:  staat de windmeter in iets minder open terrein, dan is de gemeten wind ongeveer 15% lager dan die van het weerbericht.
3:  staat de windmeter in tamelijk ruw terrein, dan is de gemeten wind ongeveer 30% lager dan die van het weerbericht.
4:  wordt de wind gemeten in ruw terrein, dan is deze ongeveer 40% lager dan de wind  uit het weerbericht.
Met behulp van deze vuistregels kan dus ook voor een willekeurige locatie de wind op 10 meter hoogte geschat worden uit de wind van het weerbericht. Men moet dan alleen de ruwheid van het terrein inschatten.

Windstoten

Relevanter nog dan de wind op 10 meter hoogte is de wind op zo'n 1.5 meter. Daarbij zijn de windstoten vaak nog veel bepalender dan de gemiddelde wind; ze veroorzaken de meeste schade en overlast. Vooral bij zijwind zijn windstoten gevaarlijk voor het verkeer; ze kunnen dan namelijk zo sterk zijn dat auto's uit de koers kunnen raken met alle gevolgen van dien.

Ook worden voertuigen door zijwind als het ware iets opgetild, waardoor het wegcontact minder wordt. Doordat windstoten vaak voorkomen in situaties met neerslag (regen, hagel, sneeuw) en met teruglopend zicht, kunnen gevaarlijke situaties ontstaan. Windstoten doen zich voor in twee situaties: bij storm en in buien. Windstoten in buien worden besproken in de volgende paragraaf; hier beperken we ons tot windvlagen tijdens stormsituaties. Ze worden veroorzaakt door de turbulentie van de wind. De windrichting is in windstoten vaak iets meer geruimd dan de gemiddelde wind. Meer geruimd betekent bijvoorbeeld bij zuidwestenwind iets westelijker, bij een wind van 230 graden bijvoorbeeld 250 graden.

De sterkte van de windvlagen hangt enerzijds af van de ruwheid van het terrein, anderzijds van de gemiddelde windsnelheid. Hoe ruwer het terrein en hoe groter de gemiddelde windsnelheid, des te sterker zijn de windvlagen. Hier volgen een paar vuistregels om de sterkte van windstoten op 1.5 meter, gemeten met een handwindvaan boven het aardoppervlak te schatten met behulp van de gemiddelde wind uit het weerbericht:


1:  Uitgaande van wind uit het weerbericht of een volgens WMO-normen gemeten wind kan de gemiddelde wind op 1.5 meter hoogte geschat worden: die is in open terrein ruwweg 70% van de 10 meter wind.
2:  Voor het omrekenen van de gemiddelde wind op stahoogte van open terrein naar ruwer terrein, geldt dat dat de wind sterker gereduceerd wordt naarmate het terrein ruwer is; in erg ruw terrein is die reductie ongeveer 50%.
3:  de windsnelheid in windvlagen is voor alle terreinomstandigheden ongeveer 10 tot 20 % hoger dan de wind uit het weerbericht.

Windstoten in buien


Naast de windvlagen die samenhangen met de turbulentie van de atmosfeer, zijn er ook de windstoten tijdens regen-, hagel- en onweersbuien. In dergelijke buien wordt lucht van grote hoogte, - waar het veelal harder waait dan aan de grond, - abrupt en met grote snelheid naar beneden verplaatst. Die lucht van boven behoudt zijn snelheid, zodat het vlak bij de grond plotseling kortdurend harder gaat waaien: we spreken dan van een windstoot of windvlaag. Dergelijke windstoten hebben dus niets te maken met de turbulentie in de atmosfeer ten gevolge van obstakels of wrijving met het aardoppervlak. In de figuur is een registratie van zo'n windstoot in een onweersbui weergegeven.

Karakteristiek is dat tijdens de windstoot niet alleen de gemiddelde wind toeneemt, maar ook de vlagerigheid. In de praktijk wordt er in weerberichten gewaarschuwd voor windstoten of zware windstoten tijdens buien. De windsnelheid bij windstoten wordt in weersverwachtingen opgegeven in km/uur; de officiŽle meteingen (zoals de voorbeelden hiernaast) werken meestal met m/s.

Wind en temperatuur

Terug naar de grond: daar heeft de wind grote invloed op de temperatuur. De wind zorgt ervoor dat de lucht vlak bij het aardoppervlak goed gemengd wordt. Daardoor zal de warmte die de zonnestraling overdag aan het aardoppervlak overdraagt, makkelijk afgevoerd worden. In de nacht, als het aardoppervlak sterk afkoelt door uitstraling, zorgt de wind ervoor dat er warmte van de lucht naar het aardoppervlak wordt toegevoerd. Daardoor wordt de nachtelijke afkoeling sterk tegengewerkt. Is er heel weinig wind, dan is dat effect er niet en kan het aardoppervlak wel sterk afkoelen. Het afkoelingsproces wordt nog bevorderd in een terrein met veel obstakels; deze remmen de wind namelijk sterk af! De wind veroorzaakt niet alleen een gelijkmatiger temperatuurverdeling. Hij doet hetzelfde met het vocht en zorgt ervoor dat dit over een dikkere laag verspreid wordt. Daardoor wordt bijvoorbeeld mistvorming tegengewerkt. Juist als er geen wind is, koelt het sterk af en blijft de vochtconcentratie bij het aardoppervlak hoog. Er treedt dan makkelijk condensatie op zodat zich dauw vormt en, - als de wind niet helemaal wegvalt, - tevens mist. In de hoofdstukken over temperatuur en mistvorming wordt hierop nog nader ingegaan.