Wanneer een troebele pluim van ijs en waterdamp boven de top van een zware onweersbui opstijgt, er is een goede kans op een gewelddadige tornado, harde wind of hagelstenen groter dan golfballen zullen spoedig de aarde beneden bekogelen.

Een nieuwe studie onder leiding van Stanford University, gepubliceerd op 10 september in Wetenschap , onthult het fysieke mechanisme voor deze pluimen, die zich boven de meeste van 's werelds meest schadelijke tornado's vormen.

Eerder onderzoek heeft aangetoond dat ze gemakkelijk te herkennen zijn in satellietbeelden, vaak 30 minuten of langer voordat zwaar weer de grond bereikt. "De vraag is, waarom wordt deze pluim geassocieerd met de slechtste omstandigheden, en hoe bestaat het in de eerste plaats? Dat is het gat dat we beginnen te vullen, " zei atmosferische wetenschapper Morgan O'Neill, hoofdauteur van de nieuwe studie.

Het onderzoek komt iets meer dan een week nadat supercell onweersbuien en tornado's ronddraaiden tussen de overblijfselen van orkaan Ida toen ze het noordoosten van de VS binnenstormden, verergering van de verwoesting die in de hele regio is aangericht door recordbrekende regenval en plotselinge overstromingen.

Begrijpen hoe en waarom pluimen vorm krijgen boven krachtige onweersbuien, zou voorspellers kunnen helpen soortgelijke dreigende gevaren te herkennen en nauwkeurigere waarschuwingen te geven zonder te vertrouwen op Doppler-radarsystemen. die kan worden uitgeschakeld door wind en hagel - en zelfs op goede dagen blinde vlekken heeft. In veel delen van de wereld, Doppler-radardekking bestaat niet.

"Als er een verschrikkelijke orkaan komt, we kunnen het vanuit de ruimte zien. We kunnen geen tornado's zien omdat ze verborgen zijn onder de toppen van onweersbuien. We moeten de toppen beter begrijpen, " zei O'Neill, die een assistent-professor aardsysteemwetenschap is aan Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

Supercell-stormen en exploderende turbulentie

De onweersbuien die de meeste tornado's veroorzaken, staan ​​bekend als supercellen, een zeldzaam soort storm met een roterende opwaartse luchtstroom die hemelwaarts kan razen met snelheden van meer dan 240 mijl per uur, met genoeg kracht om door het gebruikelijke deksel van de troposfeer van de aarde te slaan, de onderste laag van onze atmosfeer.

Bij zwakkere onweersbuien, stijgende stromen vochtige lucht hebben de neiging om af te vlakken en uit te spreiden bij het bereiken van dit deksel, de tropopauze genoemd, vormen een aambeeldvormige wolk. De intense opwaartse luchtstroom van een supercelonweersbui drukt de tropopauze omhoog in de volgende laag van de atmosfeer, het creëren van wat wetenschappers een doorschietende top noemen. "Het is als een fontein die omhoog duwt tegen de volgende laag van onze atmosfeer, ' zei O'Neill.

Terwijl winden in de bovenste atmosfeer over en rond de uitstekende stormtop razen, ze schoppen soms stromen waterdamp en ijs op, die in de stratosfeer schieten om de verklikkerpluim te vormen, technisch een Cirrus-pluim boven het aambeeld genoemd, of AACP.

De stijgende lucht van de overschietende top snelt snel terug naar de troposfeer, als een bal die naar beneden versnelt nadat hij omhoog is geklommen. Tegelijkertijd, lucht stroomt over de koepel in de stratosfeer en stroomt dan langs de beschutte kant naar beneden.

Met behulp van computersimulaties van geïdealiseerde supercelonweersbuien, O'Neill en collega's ontdekten dat dit een neerwaartse storm opwekt in de tropopauze, waar windsnelheden hoger zijn dan 240 mijl per uur. "Droge lucht die neerdaalt uit de stratosfeer en vochtige lucht die opstijgt uit de troposfeer, komt samen in deze zeer smalle, waanzinnig snelle jet. De jet wordt onstabiel en het geheel vermengt zich en explodeert in turbulentie, "Zei O'Neill. "Deze snelheden op de stormtop zijn nog nooit eerder waargenomen of verondersteld."

hydraulische sprong

Wetenschappers hebben al lang erkend dat overschietende stormtoppen van vochtige lucht die opstijgen in de bovenste atmosfeer kunnen fungeren als solide obstakels die de luchtstroom blokkeren of omleiden. En er is gesuggereerd dat golven van vochtige lucht die over deze toppen stromen, kunnen breken en water in de stratosfeer kunnen pompen. Maar geen enkel onderzoek heeft tot nu toe uitgelegd hoe alle stukjes in elkaar passen.

De nieuwe modellering suggereert dat de explosie van turbulentie in de atmosfeer die gepaard gaat met gepluimde stormen zich ontvouwt door een fenomeen dat een hydraulische sprong wordt genoemd. Hetzelfde mechanisme is in het spel wanneer ruisende winden over bergen tuimelen en turbulentie veroorzaken aan de neerwaartse kant, of wanneer water dat soepel naar beneden stroomt, plotseling in schuim uitbarst bij het samenvoegen van langzamer stromend water eronder.

Leonardo DaVinci observeerde het fenomeen al in de 16e eeuw in stromend water, en de oude Romeinen hebben misschien geprobeerd om watersprongen in aquaductontwerpen te beperken. Maar tot nu toe hebben atmosferische wetenschappers alleen de dynamiek gezien die wordt veroorzaakt door solide topografie. De nieuwe modellering suggereert dat een hydraulische sprong ook kan worden veroorzaakt door vloeistofobstakels in de atmosfeer die bijna volledig uit lucht bestaan ​​en die elke seconde van vorm veranderen. mijlen boven het aardoppervlak.

De simulaties suggereren dat het begin van de sprong samenvalt met een verrassend snelle injectie van waterdamp in de stratosfeer, meer dan 7000 kilogram per seconde. Dat is twee tot vier keer hoger dan eerdere schattingen. Zodra het de bovenwereld bereikt, water kan daar dagen of weken blijven, mogelijk van invloed zijn op de hoeveelheid en kwaliteit van zonlicht dat de aarde bereikt via vernietiging van ozon in de stratosfeer en opwarming van het aardoppervlak. "In onze simulaties die pluimen vertonen, water reikt tot diep in de stratosfeer, waar het mogelijk een grotere langetermijnimpact op het klimaat zou kunnen hebben, " zei co-auteur Leigh Orf, een atmosferische wetenschapper aan de Universiteit van Wisconsin-Madison.

Volgens O'Neill, NASA-onderzoeksvliegtuigen op grote hoogte hebben pas onlangs de mogelijkheid gekregen om de driedimensionale winden op de toppen van onweersbuien te observeren, en hebben de AACP-productie nog niet van dichtbij waargenomen. "We hebben nu de technologie om onze modelresultaten te verifiëren om te zien of ze realistisch zijn. "Zei O'Neill. "Dat is echt een mooie plek in de wetenschap."