Stel je voor dat je op een groene heuvel ligt en de wolken voorbij ziet trekken op een mooie dag. De wolken waar je waarschijnlijk aan denkt zijn stapelwolken, degenen die lijken op pluizige ballen van watten. Ze lijken onschuldig genoeg. Maar ze kunnen uitgroeien tot de formidabelere cumulonimbus, de onweerswolk. Dit zijn de monsters die donder en bliksem produceren. Ze zijn krachtig, destructief en intens mysterieus. Ze komen misschien ook veel vaker voor, waardoor het begrijpen van hun werking - en hun effecten op de menselijke wereld, inclusief hoe we gebouwen of hoogspanningslijnen bouwen - belangrijker dan ooit.

Veel wolken ontstaan ​​wanneer warme, natte lucht opstijgt naar grote hoogten waar het kouder wordt en condenseert tot waterdruppels. Onweersbuien ontstaan ​​wanneer een op deze manier gevormde wolk snel heel groot wordt, steeds meer waterdamp aanzuigen. Er volgt vrijwel altijd neerslag en harde windstoten. En uiteraard, bliksem. Bliksem lijkt misschien vrij zeldzaam, maar het is ongeveer 700 keer gebeurd - we krijgen ongeveer 100 slagen per seconde - ergens over de hele wereld in de tijd die je nodig hebt om deze zin te lezen.

Blikseminslagen en onweersbuien lijken steeds vaker voor te komen en er zijn aanwijzingen dat dit zal aanhouden als gevolg van de opwarming van de aarde. In 2014, Professor David Romps aan de Universiteit van Californië, Berkeley, ONS, ontwikkelde een atmosferisch model dat voorspelde dat de bliksem met 12% zal toenemen voor elke graad dat de aarde opwarmt. Er zijn aanwijzingen dat dit al gebeurt. Onderzoekers in Nederland hebben gekeken naar het aantal branden dat is ontstaan ​​door blikseminslag in de bossen van Alaska en Canada en hebben vastgesteld dat dit de afgelopen 40 jaar met 2% tot 4% per jaar is gestegen.

We begrijpen bliksem niet goed. Indien, bijvoorbeeld, je zou een blikseminslag filmen en in super slow motion afspelen, je zou merken dat de staking in stappen verloopt. Het pauzeert een tijdje met tussenpozen voordat het verder gaat, zegt Dr. Alejandro Luque van het Instituut voor Astrofysica van Andalusië in Granada, Spanje. Maar we weten niet waarom dit gebeurt. Hij zegt dat er een paar artikelen over zijn, maar in wezen geen geaccepteerde theorieën.

Sprites

Dr. Luque denkt dat hij misschien enig inzicht heeft in het probleem, echter, door zijn werk het bestuderen van een nog ongelooflijker maar beter begrepen elektrisch fenomeen - sprites.

Sprites zijn enorm, gekleurde lichtstralen die optreden tussen 50 en 90 kilometer boven de grond, veel hoger dan onweer. Aan hun bestaan ​​werd jarenlang getwijfeld omdat ze vanaf de grond moeilijk te zien zijn. Dr. Luque bestudeerde ze voornamelijk door te kijken naar foto's die werden gemaakt door onderzoeksvliegtuigen.

Hoewel ze minder bekend zijn dan bliksem, de fysica van sprites is gemakkelijker te bestuderen omdat, op zo'n grote hoogte, er is weinig lucht en dus gebeuren elektrische ontladingen langzamer en bij koudere temperaturen. Bliksem zorgt voor temperaturen die heter zijn dan het oppervlak van de zon. Maar Dr. Luque zegt dat de afvoerkanalen van sprite 'vrijwel dezelfde temperatuur hebben als de omringende lucht'.

De kanalen in sprites zijn gemaakt van vele kleine filamenten die streamers worden genoemd. En terwijl de wimpels zich voortplanten, sommige plekken in hen gloeien helderder en aanhoudend. in sprieten, de heldere gloed is te danken aan het gedrag van elektronen, zegt dr. Luque. In sommige delen van de streamer, elektronen hechten aan luchtmoleculen en dit verhoogt de sterkte van het elektrische veld, helderder licht produceren.

Stappen

Deze uitleg is onomstreden, zegt dr. Luque, maar wat we niet weten is of - zoals hij vermoedt - een analoog proces zou kunnen verklaren waarom bliksem zelf in stappen verloopt. In de context van bliksem, op lagere hoogten, er zijn meer luchtmoleculen en de aanhechting van elektronen eraan zou op een iets andere manier kunnen werken om het stappenpatroon te produceren. Dr. Luque wil via zijn eLightning-project weten of dit klopt.

Hij en zijn student Alejandro Malagón-Romero hebben deze hypothese in 2019 opgesteld. Zijn team werkt nu aan het bouwen van een computationeel model van bliksem om te testen of het proces dat ze verwachten het stapgedrag kan verklaren.

Begrijpen waarom bliksem in stappen verloopt, zal ons niet helpen om het minder gevaarlijk te maken. Maar Dr. Luque zegt dat een beter begrip van het fenomeen nuttig kan zijn op allerlei andere gebieden. Bijvoorbeeld, Er kunnen zich ontladingen vormen rond elektrische hoogspanningslijnen en daarom moeten ze zo worden ontworpen dat dit tot een minimum wordt beperkt. Dergelijke lozingen worden ook gebruikt in de industrie, bijvoorbeeld, bij het zuiveren van industriële afvalgassen en zelfs in kopieerapparaten. Een beter begrip van hoe ze werken, kan leiden tot verbeterde ontwerpen.

Bliksemschichten lijken misschien het gevaarlijkste wapen in het arsenaal van een onweersbui, maar deze stormen creëren ook ongewoon sterke winden.

Het weer in Europa wordt gedomineerd door luchtsystemen die bekend staan ​​als extra-tropische cyclonen, spiraalvormige luchtstromen die wind en regen met zich meebrengen terwijl ze door een regio razen. De gemiddelde Europese stad ziet er tussen de 70 en 90 per jaar en wetenschappers hebben een goed begrip van hoe ze werken. Deze stormen kunnen sterk zijn, al zijn ze dat niet altijd.

Telkens wanneer een gebouw in Europa wordt gebouwd, de ontwerpers moeten ervoor zorgen dat het bestand is tegen harde wind en de modellen die ze hiervoor gebruiken zijn gebaseerd op extra-tropische cyclonen. Het probleem hiermee is dat het geen rekening houdt met winden die als zeldzaam worden beschouwd, zoals die van onweersbuien.

onweersbuien

Om te begrijpen waarom dit belangrijk is, je moet het verschil tussen cyclonen en onweersbuien begrijpen. Eerst, onweersbuien zijn intenser dan cyclonen. Terwijl een cycloon drie dagen kan duren, kan een onweersbui in 20 minuten voorbij zijn. Dus in plaats van een gematigde, aanhoudende wind krijg je een aanval van zeer sterke windstoten. Tweede, en nog belangrijker, is hoe de kracht van de wind varieert afhankelijk van de hoogte. Cyclonen worden hoger en sterker. onweer, anderzijds, hebben de neiging om winden te produceren vanaf ongeveer 100 m omhoog en naar beneden te blazen, terwijl de wind sterker wordt naarmate hij daalt. 'Een normale wind waait evenwijdig aan de grond, maar een onweersbui waait naar beneden. Het is helemaal anders, ' zei professor Giovanni Solari van de Universiteit van Genua in Italië.

Zet dit alles bij elkaar en het resultaat, zegt prof. Solari, is dat we onze hoogste gebouwen aan het over-engineeren zijn, vooral wolkenkrabbers, en onder-engineering van laagbouw en constructies zoals scheepswerfkranen. De bovenste 200 meter van een wolkenkrabber van 300 meter krijgt waarschijnlijk geen klap van een onweersbui, maar we ontwerpen ze alsof ze dat doen, omdat onze modellen aannemen dat de wind hogerop sterker wordt. 'We maken gebouwen te veilig, ' hij zei. Anderzijds, kleine kraanvogels kunnen door onweersbuien omvallen, die hun sterkste wind op grondniveau produceren.

Het doel van prof. Solari, via het THUNDERR-project, is om dit te corrigeren, waardoor de bouw efficiënter en goedkoper zou kunnen worden, door een model van onweerswind te produceren dat kan worden gebruikt om gebouwen te ontwerpen. De eerste stap was om een ​​synthetisch onweer, gecreëerd in een windtunnel van wereldklasse aan de Universiteit van Ontario in Canada, te nemen en hier een model van te maken. Dat is nu gedaan, zegt prof. Solari, en zijn modellen leggen goed vast wat deze synthetische stormen doen. Maar dat was het makkelijke.

Nu gaat hij verder met het modelleren van echte onweersbuien, waarin grote variatie is. Helpen, Prof. Solari en zijn team hebben een netwerk van 45 weertorens gebouwd rond de Middellandse Zeekust, ontworpen om gegevens vast te leggen over winden veroorzaakt door onweersbuien.

'Vroeger dachten mensen dat onweer zeldzaam was, ' zei prof. Solari. 'Dat was omdat we ze niet konden zien. Het netwerk heeft nu een database van 250 onweersrecords geregistreerd. Het plan is nu om het oorspronkelijke model aan te passen aan al deze verschillende onweersbuien en echt representatief te zijn.'

Het onderzoek in dit artikel werd gefinancierd door de Europese Onderzoeksraad van de EU. Als je dit artikel leuk vond, overweeg om het op sociale media te delen.