^Back To Top
Get Adobe Flash player

Lightning

Ontstaan van onweersbui

 

 

Een onweersbui kan op een aantal manieren ontstaan. De meest voorkomende is het "single cell"-type; die ontstaat op een warme (zomer)dag. Vaak begint het met het onstabieler worden van de atmosfeer: de onderste lagen worden steeds warmer en vochtiger terwijl de bovenste lagen steeds kouder worden. Zo ontstaan er kleine "cumuluswolken" (dat zijn "donderkoppen" → wolken met aan de bovenkant een soort kop) die uitgroeien tot (stevige) buien. Het ontstaan van een onweersbui op deze manier kent drie stadia:

 

  1. Wanneer de warme lucht gaat stijgen zal deze ook gaan afkoelen. Daardoor treedt er op ongeveer 2 km hoogte condensatie op van het vocht in de lucht dat tot kleine waterdruppeltjes leidt.
  2. Bij het condenseren komt er (veel) warmte vrij waardoor de temperatuur weer oploopt en de stijging van de lucht versterkt wordt. Zo kan de lucht stijgen tot een hoogte van wel 6 à 8 km. Daar is de temperatuur ongeveer 40 graden onder 0. Bij die temperatuur zullen de waterdruppeltjes bevriezen. Door de wilde bewegingen van de lucht omhoog kunnen de druppels aangroeien tot flinke hagelstenen.
  3. Uiteindelijk kan de bui niet meer hoger komen en zal het ijs gaan vallen. De bovenkant van de bui bestaat dan helemaal uit ijskristallen. Nu heeft de bui zijn eindstadium bereikt. De koude neerslag valt en werkt zo de warme luchtstroom naar boven tegen, waardoor er elektrische lading ontstaat.

 

Andere buien zijn de luchtmassabui, de buienlijn en de supercel.

 

Luchtmassabui

 

Een luchtmassabui, ook wel warmteonweer, is een bui die zich ontwikkelt in koude massa achter een koufront. Aan de rand van de daar aanwezige cellen is een stijgstroom waardoor cumuluswolken ontstaan, terwijl het in het midden van de cellen onbewolkt is door de daalstromen. Er is hierbij weinig verticale windschering. De wolken kunnen hierna uitgroeien tot cumulonimbus met neerslag. Vaak krijgen de koude daalstromen al snel de overhand, waardoor de bui zijn voedingsbron van warme stijgstromen verliest. Over het algemeen vindt dit binnen een half uur plaats, maar doordat er vaak meerdere cellen zijn, kan dit buiencomplex voor enige uren neerslag zorgen.


 

 

Buienlijn

 
 
De buienlijn van een donderwolk.

Een buienlijn is een lijn van zware onweersbuien. Vaak bevatten deze veel regen en onweer, terwijl er ook sterk veranderlijke zware windstoten op kunnen treden en soms ook hagel. De lijn kan een koufront, trog of ander systeem in de mesoschaal zijn. Doordat buienlijnen zich snel kunnen ontwikkelen en gepaard kunnen gaan met windstoten van meer dan 100 km/h en scherpe windsprongen, kunnen ze zeer verraderlijk zijn. Ze komen veel voor in de intertropische convergentiezone en de tropische golf. Buienwolken kunnen hoogtes bereiken van meer dan 15 kilometer, waarbij de top uitwaaiert in de vorm van een aambeeld.

Buienwolken ontstaan in gebieden waar warme lucht door convergentie sterk stijgt. Ze onderscheiden zich daarbij van luchtmassabuien door een duidelijke verticale windschering. De wind neemt daarbij sterk toe met de hoogte, waardoor er naast de stijgende warme lucht ook dalende koude luchtstromen kunnen voorkomen. Daardoor kunnen zichzelf veel langer in stand houden dan luchtmassabuien. Door de koude dalende luchtstromen ontstaat bij het aardoppervlak een meso-koufront dat steeds verder voor de bui uit kan gaan lopen, vaak met een rolwolk, soms met een stofstorm. Achter dit front kan de temperatuur sterk dalen en kunnen scherpe windsprongen optreden.

Supercel

 
 
 
Supercel boven Chaparral in New Mexico

Een supercel is het zwaarste type onweersbui dat kan voorkomen. Deze buitengewoon grote onweersbui heeft een lange levensduur door de zeer effectieve energievoorziening. De supercel kan ontstaan als er bij een onweersbui grote verticale windschering is, waardoor de windsnelheid en -richting in de bovenlaag sterk afwijkt van die in de onderlaag.
Door de windschering ontstaat een horizontale draaiing of vorticiteit die door de stijgstroom verticaal wordt getild, een zogenaamde mesocycloon. Hierbij draaien de warme stijgstroom en de koude daalstroom tegen elkaar in. Doordat ze gescheiden zijn, worden de warme stijgwinden die de bui in stand houden niet onderdrukt door de koude daalwinden. Hierdoor kan de bui uren blijven bestaan.

Een supercel heeft net als de buienlijn een meso-koufront en gaat vaak gepaard met zware neerslag en windstoten en veel bliksem. Doordat de neerslag meerdere keren in de stijgstroom mee wordt genomen, kan deze tot hagel uitgroeien. Uit de mesocycloon kan een tornado en een tornadofamilie ontstaan.

 

 

Onweer

 
 
 
Onweer op komst op 17 juli 2004 in Enschede. Opvallend is de langgerekte shelf cloud, dikwijls een voorbode van hevig noodweer.
 
Onweer, Garajau, Madeira

Onweer is een bui of cumulonimbus die gepaard gaat met elektrische ontladingen. Deze ontladingen zijn waarneembaar als een lichtflits – de bliksem – gevolgd door een scherp of dof rommelend geluid – de donder. Onweersbuien zijn wolken waarin een potentiaalverschil is opgebouwd door ladingscheiding. Over hoe die ladingscheiding tot stand komt, zijn verschillende theorieën, maar hierbij lijkt vooral vaste neerslag een belangrijke rol te spelen. Bij droog onweer is de neerslag verdampt voordat deze het aardoppervlak bereikt.

Onweer is waarschijnlijk de generator die de atmosferische elektriciteit in gang houdt.

Onweer komt vrijwel overal ter wereld voor, behalve in de poolstreken. Boven de poolcirkels komt onweer vrij zelden voor. Het meest frequent is het onweer dat in de tropen voorkomt. In Centraal-Afrika komt onweer meer dan 200 dagen per jaar voor, in Oeganda zelfs op 240 dagen. In Nederland onweert het gemiddeld 34 tot 38 dagen per jaar.

De activiteit van de onweersbuien kan van plaats tot plaats sterk uiteenlopen. Op de ene plaats kunnen tientallen millimeters regen vallen, terwijl het op enkele kilometers daar vandaan droog blijft. Ook windstoten en hagel kunnen heel lokaal optreden. Van tevoren is moeilijk aan te geven welke gebieden het ergst zullen worden getroffen.

Angst voor onweer heet brontofobie

Vorming

Voor de vorming van onweer moet er allereerst sprake zijn van wolkenvorming. Die bewolking moet voldoende ontwikkeld zijn om neerslag te vormen. Die neerslag moet vervolgens voldoende statische elektriciteit opwekken om tot ontlading te komen.

Wolkenvorming

 
Orografische neerslag, frontale neerslag en convectieve neerslag.

Wolkenvorming is de condensatie rond condensatiekernen van in de lucht aanwezige vocht op enige hoogte van de grond tot wolkenelementen. Deze condensatie treedt op door afkoeling na stijging van lucht.

De opstijgende lucht koelt adiabatisch af en als het dauwpunt bereikt wordt, vindt condensatie plaats. Dit kan een gehele luchtmassa zijn, zoals het geval bij:

  • convergentie, het samenstromen van lucht bij lagedrukgebieden en isallobarische minima waardoor deze naar boven uit moet wijken;
  • bij een front wordt warme massa of lucht opgetild door koude massa;
  • bij orografische wolkenvorming wordt een luchtmassa opgetild door een bergketen.

De wolkensoorten die ontstaan, zijn afhankelijk van de stabiliteit van de lucht, maar zijn bij berghellingen en fronten vaak stratiform.

Daarnaast kan er ook sprake zijn van stijgende lucht door golfbewegingen:

  • lopende golven kunnen ontstaan als twee luchtmassa’s over elkaar heen bewegen. In de golf daalt en stijgt de lucht waardoor wolken zich vormen en weer oplossen. Dit zijn undulatuswolken als altocumulus-undulatus en stratocumulus-undulatus;
  • staande golven van het type altocumulus lenticularis kunnen ontstaan aan de lijzijde van bergruggen.

Een derde vorm is plaatselijk opstijging door convectie, het opstijgen van lucht door verwarming van onderin. Dit treedt op in instabiele koude massa, dat is lucht waarvan de temperatuur lager ligt dan die van het oppervlak, de lucht wordt dus onderin verwarmd. Hier stijgt niet de gehele luchtmassa, maar slechts luchtbellen met een grootte van enkele tientallen tot honderden meters. Hieruit ontstaan wolken van het type cumulus en cumulonimbus.

Neerslagvorming

Dat wolkenelementen kunnen uitgroeien tot neerslagelementen als regendruppels, hagelkorrels en sneeuwvlokken is mogelijk door twee processen, het coalescentieproces dat voornamelijk lichte regen produceert en het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces dat stevige buien met regen, hagel en sneeuw tot gevolg kan hebben. Daarnaast is het type bewolking van belang, waarbij in eerste instantie onderscheid wordt gemaakt tussen gelaagde of stratiforme bewolking en convectieve bewolking.

Onweer komt voor bij convectieve bewolking waarin het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces zich afspeelt.

Wegener-Bergeron-Findeisen-proces

 
1. -23°C en lager: ijskristallen;
2. tussen -10°C en -15 à -23°C: gemengde zone;
3. tussen 0°C en -10°C: onderkoelde waterdruppels;
4. 0°C en hoger: gewone waterdruppels.

In relatief koude wolken komen onderkoelde waterdruppeltjes en ijskristallen samen voor. Hier speelt zich het Wegener-Bergeron-Findeisen-proces af. Doordat de lucht rond ijs minder waterdamp kan bevatten dan rond de onderkoelde waterdruppeltjes, zal bij verzadigde lucht de damp verrijpen op de ijskristallen. Hierdoor vermindert de hoeveelheid waterdamp en is er sprake van onverzadigde damp. De waterdruppeltjes zullen daarop verdampen waarna het proces zich herhaalt. De aangroeiende ijskristallen kunnen daarna in verschillende vormen als neerslag – regen, sneeuw, hagel of ijsregen – naar beneden komen. Als de neerslag in de wolk als sneeuw begint, dan kan dit op weg naar beneden weer smelten om als regen neer te komen. Komt de regen op zijn tocht naar beneden aansluitend nog eens in een koudere luchtsoort terecht, dan kan de regen weer bevriezen of onderkoeld raken en aansluitend als hagel, korrelsneeuw of ijsregen naar beneden komen.

Convectieve bewolking

Convectieve bewolking – cumulus en cumulonimbus – kan een grote verticale ontwikkeling doormaken, soms tot aan de tropopauze. De luchtstromingen zijn veelal meer dan 1 m/s en kunnen in zware buien oplopen tot meer dan 25 m/s. De wolkenelementen kunnen daardoor snel aangroeien, zodat er al zo'n 20 tot 30 minuten na het ontstaan van de wolk intensieve neerslag kan vallen. Door de krachtige verticale luchtbewegingen kunnen ijskristallen meerdere malen omhoog worden gevoerd en aangroeien tot grote hagelstenen. Aangezien de convectie sterker wordt in de zomer, zal er dan meer hagel vallen. In de tropen kunnen zich in de intertropische convergentiezone (ITCZ) in hot towers zelfs dusdanig sterke stijgwinden ontwikkelen dat deze doorschieten in de stratosfeer.

Ladingscheiding

 
De rode stapsgewijze voorslag baant zich een weg richting de tegengestelde lading. Zodra het voorontladingskanaal het vangontladingskanaal bereikt, vormt zich de hoofdontlading.

De bliksem en donder waar onweer mee gepaard gaat, kan pas optreden nadat er een groot potentiaalverschil is opgebouwd. Over hoe deze ladingscheiding optreedt, zijn verschillende theorieën, waarvan geen enkele alle verschijnselen tegelijk verklaart.

Een potentiaalverschil in een wolk leidt niet noodzakelijk tot bliksem. Puntontladingen zijn met -100 coulomb/km2/jaar verantwoordelijk voor een veel groter deel van het ladingtransport richting aarde dan bliksem is met -20 coulomb/km2/jaar.

Bliksem ontstaat niet doordat het spanningsverschil in de buurt komt van de doorslagspanning. Hoewel de atmosfeer door ionisatie in enige mate elektrisch geleidbaar is, is de weerstand te hoog om honderden meters te overbruggen. Bliksem bestaat dan ook uit een serie van gedeeltelijke ontladingen. Het begint bij lokale ruimteladingen waarbij de veldsterkte sterk afwijkt van het gemiddelde veld. Hierdoor kunnen vonken ontstaan die de lucht ioniseren en daarmee een voorontladingskanaal vormen met dezelfde grote veldsterkte. Dit proces kan zich herhalen met stappen van telkens 50 tot 100 meter met een snelheid van zo'n 150 km/s. Bij de tegengestelde lading kan op dezelfde wijze een vangontladingskanaal ontstaan. Zodra de voorontlading of stapsgewijze voorslag (stepped leader) het vangontladingskanaal bereikt, vormt zich de hoofdontlading of hoofdslag (return stroke) waarbij de lading zich met een snelheid van zo'n 150.000 km/s door het bliksemkanaal beweegt. Door dit kanaal bewegen zich vervolgens meestal nog meerdere ontladingen (re-strikes).

Soorten onweer

Er zijn verschillende vormen van onweer die samenhangen met de verschillende processen van wolkenvorming. Zo is er convectie-onweer, frontaal onweer, orografisch onweer en advectief onweer. Convectie-onweer of warmteonweer ontstaat boven een sterk verhit aardoppervlak op een warme zomerdag en is vaak een lokaal verschijnsel. In deze thermische lagedrukgebieden kunnen zich grote buiencomplexen ontwikkelen.

Stadia warmteonweer

 
Cumulusstadium.
 
Volwassen stadium.
 
Oplossingsstadium.

Convectie-onweer of warmteonweer ontwikkelt zich in verschillende fasen:

  • cumulus- of ontwikkelingsstadium (congestus);
  • volwassen of volgroeide stadium;
  • oplossings- of uitdovingsstadium.

In het cumulusstadium groeit de cumuluswolk uit tot een cumulonimbus. Deze groei gaat gepaard met stijgende bewegingen met 5-10 m/s van warme lucht.

In het volgroeide stadium zijn neerslagelementen ontstaan die richting het aardoppervlak vallen. Door de wrijving neemt deze neerslag koude lucht mee naar beneden, zodat er zowel stijg- als daalwinden zijn.

In het uitdovingsstadium gaan de daalwinden de stijgwinden overheersen. De koude daalwinden spreiden zich bij het aardoppervlak horizontaal uit, veelal gepaard met windstoten, en snijden daarmee de toevoer van warme vochtige lucht af. Zonder deze voedingsbron regent de bui uit om uiteindelijk op te lossen.

Onweer kan langer aanhouden als de daal- en stijgwinden gescheiden zijn. Zo kunnen systemen ontstaan die uren in stand blijven.

Eencellig onweer

Eencellig onweer is een enkele buiencel of luchtmassabui die vrij snel tot ontwikkeling komt zonder echte organisatie. Vaak zijn die maar ongeveer een 30 minuten actief en zakken dan weer in en worden gewone regenbuien. Enkele buiencellen produceren zelden noodweer en zijn eerder klein in omvang.

Meercellig onweer

 
Mammatus, Leuven, België

Een meercellig onweer is een clustering van meerdere buiencellen. Deze zijn meer georganiseerd onweer en een stuk groter in omvang met een langere levensduur. Ze zijn ook krachtiger en kunnen noodweer veroorzaken. Bij dit soort onweders kunnen randverschijnselen, zoals (grote) hagel, grote neerslaghoeveelheden en hevige windstoten optreden. Soms kan aan de voorzijde van zo'n meercellig onweer een mooie shelf cloud te zien zijn.

Buienlijn

 
Shelf cloud, Beervelde, België.

Soms kan het onweer ook een lijnvormige vorm aannemen op de radar, de voorkant is meestal scherp afgelijnd en de intensiteit is soms gemeen fel. Dit is een buienlijn en deze kan tientallen tot soms wel 100 km lang zijn en noodweer met zich meebrengen. Meestal wordt een buienlijn voorafgegaan door een shelf cloud. Deze ontstaat doordat de koudere bovenlucht botst op de warmere onderlucht. Een shelf cloud is meestal de scheidingslijn, voor de shelf is het bijna droog. Zodra de shelf cloud overtrekt komt er een felle wind opzetten, outflow. De passage van de wolk wordt gevolgd door heel felle regen, soms met tientallen liters water per vierkante meter tot gevolg. Buienlijnen trekken meestal met een hoge snelheid voorbij. Ze kunnen grote hagel produceren en de bliksemactitiveit kan hoog liggen.

Supercel

Een supercel is een buitengewoon grote eencellige onweersbui. Een supercel heeft als kenmerk dat het een onweersbui is die door verticale windschering om z'n eigen as draait. Ze hebben vaak een levensduur van meerdere uren en kunnen erg grote neerslaghoeveelheden teweegbrengen, maar kunnen ook grote hagelstenen produceren. Zo vielen er in de nacht van 25 op 26 mei 2009 op bepaalde plaatsen in Oost-Vlaanderen hagelstenen met een diameter van 10 cm. De supercel was eigenlijk ingesloten in een buienlijn, die voor de rest van België voor een enorm hoge bliksemactiviteit zorgde.

Supercellen hebben hun typische vormen met een scherpe stijgstroomkolom en wolkenmuur. De wolkenmuur zuigt vochtige lucht aan van de grond in de cel, inflow.

MCS (Meso scale Convective System)

Een MCS is een onweer met een enorme omvang. Die kan soms een diameter hebben van enkele honderden kilometers. Anders dan gewone onweders worden deze gevoed door de nacht. Een gewoon onweer heeft na het ondergaan van de zon eerder de neiging om te gaan inzakken, maar het MCS wint dan net aan kracht. Een MCS brengt vaak veel neerslag met zich mee en kan dus een hele nacht doorgaan.

Zwaar onweer

Zware onweersbuien zijn meestal het gevolg van een toevallige samenloop van omstandigheden, zoals grote temperatuursverschillen, vochtige lucht en een sterke wind op grote hoogte in de atmosfeer. Bovendien hangt de intensiteit van het onweer af van het tijdstip van de dag waarop de buien passeren. In de zomermaanden is de kans op zware buien in de avond en het begin van de nacht in het algemeen het grootst.

Bij (opkomend) zwaar onweer met soms ieder seconde een bliksemflits, kan het heftig tekeergaan en kunnen plotselinge windvlagen, slagregens en hagel optreden. Zware onweersbuien ontstaan in een vochtig overgangsgebied van zeer warm (tropisch) naar veel kouder weer. Tijdens zo'n bui kan de temperatuur in minder dan een half uur 10 tot 15°C dalen. De buien worden het hevigst als er op grote hoogte in de atmosfeer een zeer sterke wind staat (straalstroom).

De buienwolken kunnen uitgroeien tot ongeveer 15 kilometer hoogte (tropopauze) en bevatten een enorme hoeveelheid onderkoeld water en op grote hoogte ijskristallen, waardoor ze veel neerslag kunnen opleveren. Sommige buien leveren meer dan tien millimeter in een half uur op. In zo'n wolkencomplex met sterk stijgende en dalende luchtstromingen hebben de druppels een lange weg te gaan voor ze het aardoppervlak bereiken. Daardoor kunnen ze almaar groter worden en dat verklaart de flinke druppels of hagelstenen die uit een zware bui vallen. Zware onweersbuien kunnen hagelstenen zo groot als tennisballen produceren. Het is duidelijk dat de aanwezigheid van zwevend fijnstof mede bepalend is voor de water-gerelateerde schade van onweersbuien.

 
Arcus in München, Juli 2005

Buien groeperen zich vaak langs lijnen, die worden voorafgegaan door windstoten. Het gevaarlijke weer is in de lucht te herkennen aan buidelvormige (mammatus) wolken aan de rand van het buiengebied. De wind kan al opsteken als de eigenlijke bui nog tientallen kilometers verwijderd is, wat zeer verraderlijk is.

Bijzonder zware buien worden soms voorafgegaan door een rolwolk, een indrukwekkende, scherp begrensde wolkenbank, die inktzwart kan zijn. Ook overdag kan het dan aardedonker worden. Een rolwolk wordt vergezeld door enorme en plotselinge windstoten, ten gevolge van de dalende wind vanuit de buien wolk, van soms 100 tot 150 kilometer per uur. Het roterende karakter van de stijgstromen kan windhozen veroorzaken, maar vaak blijft het bij een begin van hoosvorming in de lucht. Reikt de slurf wel tot de grond, dan is schade onvermijdelijk. De slurf wordt ook wel funnelcloud genoemd.

Geluid

 
Zwaar onweer kondigt zich aan met een shelf cloud, in Zwolle op 26 Juli 2008

De knal bij de bliksemflits ontstaat doordat de lucht binnen het pad van de vonk sterk verhit wordt en uitzet. De snelle en plotselinge uitzetting van de lucht veroorzaakt een flinke schokgolf die hoorbaar is als donder.

Uit de tijd die verstrijkt tussen bliksem en donder kan men afleiden of het onweer nabij is. Het geluid legt in drie seconden een afstand van ongeveer één kilometer af. Als de donderklap binnen 10 seconden na de bliksemontlading te horen is dan is de betreffende ontlading op ongeveer 3 kilometer afstand. Daar buien zich over vele vierkante kilometers kunnen uitstrekken, geeft dit geen directe indicatie van de afstand van de bui, daar de ontladingen zich op verschillende plaatsen onder de wolk kunnen voordoen. De afstand waarop men onweer kan waarnemen is vrij groot. De bliksem kan men bij helder weer tot zo'n 150 à 200 km afstand nog zien. Op grote afstanden kan de bliksem op grote hoogte in volle duisternis nog gezien worden. De donder kan - afhankelijk van de weerkundige omstandigheden en andere geluiden - tot op ongeveer 25 km afstand gehoord worden.

Als het onweer erg dichtbij is hoort men alleen een scherpe knal. Als het onweer ver weg is hoort men een gedempt, maar wel langdurig donderen en narommelen. Dit verschil komt door drie effecten:

  • De geluidsabsorptie van de atmosfeer en de bodem. Over grote afstanden worden de hogere frequenties van het geluid geabsorbeerd, zodat alleen de lage frequenties overblijven. De scherpe knal bevat ook veel hoge frequenties, die als het onweer verder weg gehoord wordt, zijn geabsorbeerd.
  • De nagalm. Ook in de openlucht treden echo's op, waardoor de eenmalige knal verandert in een langdurig donderen.
  • Omdat geluid zich relatief langzaam voortplant en het bliksemkanaal soms kilometers lang is, hoort men niet één klap, maar het geluid achterelkaar van steeds verder van het waarnemingspunt weggelegen punten van het kanaal.

Onweer zien aankomen

 
Onweer in Denver

Het onweert meestal als er grijze stapelwolken ontstaan. Het kan ook ontstaan als het onbewolkt is. Als bijvoorbeeld de strepen van vliegtuigen langzaam oplossen of uitdijen of als de lucht vol raakt met windveren gaat het meestal mis. Opbollende stapelwolken luiden in veel gevallen een weersverandering in, zeker als ook de wind aantrekt en ook de hoeveelheid bewolking toeneemt. De typische onweerswolk wordt cumulonimbus genoemd. Ook wanneer de temperatuur 's avonds aan het eind van een zomerdag niet daalt is dit een sterke aanwijzing dat het 's nachts gaat onweren.

Onweerskansen verraden zich soms al een dag tevoren door wolken die het uiterlijk hebben van een langgerekte bank met opbollende torentjes van kastelen. Soms is die bewolking 's ochtends al te zien waarna de lucht weer helemaal opklaart. Vaak is dat dan maar tijdelijk en ontwikkelen zich in de middag of avond stapelwolken die uitgroeien tot onweersbuien. De kans op onweer is dan ook het grootst. In berggebieden vormen de buienwolken zich meestal eerst bij de toppen, terwijl in het dal de zon nog blijft schijnen.

Schuilen voor onweer

Het grootste gevaar gaat uit van de bliksem, zie aldaar voor veiligheidsadviezen. Daarnaast kan men getroffen worden door rondvliegende voorwerpen als dakpannen en takken. Met name in dalen bestaat het risico van plotselinge overstromingen.

 
Lichtenbergpatronen

Record

Bogor (Indonesië) is de stad die het meest werd getroffen door onweersbuien. In 1916 waren er op 322 dagen van het jaar onweersbuien.

Onweerjagers

Er zijn ook mensen die voor de kick achter onweersbuien aanrijden. Zij worden onweerjagers of stormchasers (veelal in de Verenigde Staten) genoemd. Ze hebben meestal honderden kilometers over voor de zwaarste bui in een lijn of voor onweer ver weg van hun woonplaats.

 

Bliksem

 
 
 
Hoge bliksem
 
Bliksem
 
Bliksem (animatie)

Bliksem is een elektrische ontlading in de atmosfeer die gepaard gaat met donder. De ontlading kan optreden doordat een groot potentiaalverschil is opgebouwd door ladingscheiding. Deze ladingscheiding kan optreden in onweersbuien, maar ook bij vulkanen.

Er zijn verschillende vormen van bliksem, waarbij wel drie hoofdsoorten worden onderscheiden:

  • intrawolk (intracloud, IC);
  • wolk-wolk (cloud-to-cloud, CC);
  • wolk-aarde (cloud-to-ground, CG).

Als vierde type wordt soms ook wolk-lucht (cloud-to-air, CA) onderscheiden. Ook aarde-wolk (ground-to-cloud, GC) wordt wel genoemd, maar deze is ook vaak bij CG ondergebracht.

Intrawolkbliksem is meestal niet direct zichtbaar, maar alleen als het oplichten van de buienwolk, het weerlicht. Dit is de meest voorkomende soort bliksem. Bij wolk-aardebliksem zijn de bliksemschichten echter veel beter zichtbaar en daarmee bekender.

Bliksem is gevaarlijk. Het is dan ook raadzaam om bescherming te zoeken, zeker wanneer het onweer dichtbij is en de tijd tussen bliksem en donder minder dan 10 seconden bedraagt. Het gevaar om persoonlijk door de bliksem getroffen te worden is relatief gering, maar de gevolgen kunnen ernstig zijn. Gemiddeld worden in Nederland één of twee mensen per jaar dodelijk door de bliksem getroffen[1]. Vroeger lag dit aantal nog veel hoger: er werden honderd jaar geleden gemiddeld zo'n 20 mensen per jaar dodelijk getroffen in Nederland.

De laatste jaren is meer bekend geworden over zogenaamde sprites, ontladingen die hoog boven onweerswolken kunnen optreden.

 

Ontstaan

Ladingscheiding

Over hoe de ladingscheiding tot stand komt die nodig is om bliksem te genereren zijn verschillende theorieën. Geen kan echter alle verschijnselen tegelijk verklaren. Mogelijkerwijs spelen deze processen zich dan ook naast elkaar af:

  • inductietheorie van Wilson;
  • thermo-elektrisch effect van ijs van Latham en Mason;
  • watervaltheorie of fragmentatietheorie van Simpson;
  • theorie van Findeisen.

Mogelijk de bekendste theorie is die van Wilson die uitgaat van een aanvankelijke ladingsverdeling in wolken onder invloed van het bestaande elektrische veld waarbij de aarde een negatieve lading heeft ten opzichte van de luchtlagen daarboven tot aan de elektrosfeer. Door inductie verkrijgen wolken- en neerslagelementen aan de bovenkant van de wolk een negatieve lading, terwijl die aan de onderzijde een positieve lading krijgen. Dit is mogelijk doordat er door radioactiviteit en kosmische straling ionisatie optreedt in de atmosfeer. De positieve en negatieve ionen die hierbij ontstaan, zullen elkaar normaal gesproken aantrekken. Door het bestaande elektrische veld polariseren de neerslagelementen echter met een positieve lading aan de onderzijde en een negatieve aan de bovenzijde. Als dit element door de wolk valt, zal de onderzijde negatieve ionen aantrekken wat bijdraagt aan de negatieve lading van het element. Dit effect is echter beperkt, aangezien een grotere negatieve lading positieve ionen aan zal trekken.

Verloop

 
De rode stapsgewijze voorslag baant zich een weg richting de tegengestelde lading. Zodra het voorontladingskanaal het vangontladingskanaal bereikt, vormt zich de hoofdontlading.

Bliksem is een ontlading waarbij elektronen van een positieve lading naar een negatieve lading gaan - de stroomrichting is van negatief naar positief. Hierbij hoeft het spanningsverschil niet in de buurt te komen van de doorslagspanning. Hoewel de atmosfeer door ionisatie in enige mate elektrisch geleidbaar is, is de weerstand te hoog om honderden meters te overbruggen. Bliksem bestaat dan ook uit een serie van gedeeltelijke ontladingen. Het begint bij lokale ruimteladingen waarbij de veldsterkte sterk afwijkt van het gemiddelde veld. Hierdoor kunnen vonken ontstaan die de lucht ioniseren en daarmee een voorontladingskanaal vormen met dezelfde grote veldsterkte. Dit proces kan zich herhalen met stappen van telkens 50 tot 100 meter met een snelheid van zo'n 150 km/s. Bij de tegengestelde lading kan op dezelfde wijze een vangontladingskanaal ontstaan. Zodra de voorontlading of stapsgewijze voorslag (stepped leader) het vangontladingskanaal bereikt, vormt zich de hoofdontlading of hoofdslag (return stroke) waarbij de lading zich met een snelheid van zo'n 150.000 km/s door het bliksemkanaal beweegt. Door dit kanaal bewegen zich vervolgens meestal nog meerdere ontladingen (re-strikes).

Ladingsverdeling in een onweerswolk

 
Bliksems boven Oradea, Roemenië, 17 augustus 2005.
 
Bliksem boven Duisburg

Bliksem ontstaat door de verdeling van elektrische lading over een onweerswolk. Wat betreft de processen, die grote delen van de wolk een afwijkende lading kunnen geven, zijn er wel 10 theorieën. De ladingsverdeling hoeft op zichzelf nog niet tot het ontstaan van plotselinge ontladingen, de bliksems, te leiden. Er zijn vele lekstromen, die de ontstane ladingsverschuiving tegenwerken, zodat bliksems niet strikt noodzakelijk zijn. Evenmin is zonder meer duidelijk, waarom een ontlading tussen de onderzijde van de wolk en de grond zou optreden, dat wil zeggen de blikseminslag. Daarbij geldt nog dat de aarde een goede geleider is en dat gelijknamige elektrische ladingen elkaar afstoten. Omdat in de meeste gevallen de negatief geladen wolken zich onderaan bevinden, zullen onder de wolk de elektronen in de aardkorst verdreven worden, zodat de aarde plaatselijk een positieve lading krijgt. Onder de wolk heerst daarom een sterk elektrisch veld, dat omhoog gericht is. De elektrische spanning in dat veld is echter 100 à 1000 keer te klein om een ontlading mogelijk te maken. De doorslagspanning van lucht is namelijk 3 miljoen volt per meter. In zeldzame gevallen treedt ook een omgekeerde ladingsverdeling op, met een positieve lading aan de onderzijde van de bewolking en bijgevolg een negatieve lading aan het aardoppervlak. In dat geval spreekt men van een positieve bliksem als er ontlading optreedt.

Vonk en kanaal

Als gevolg van de onregelmatige verdeling van de ladingen in de wolk kan plaatselijk wel enige vonkvorming optreden. Hierdoor vindt dan ionisatie plaats waardoor de geleiding sterk toeneemt. De hoogste potentiaalverschillen verplaatsen zich daardoor naar de tip van het geleidende kanaal. Daar vormen zich weer vonken en herhaalt zich het proces. Deze kettingreactie leidt dus tot een zichzelf voortplantend geleidend kanaal, de zogenaamde voorontlading. Overigens heeft dit 'kanaal' een doorsnede van slechts enkele centimeters. De voorontlading groeit zo stootsgewijs in stappen van enkele tientallen meters in de richting van de grootste spanningsverschillen (stepped leader). Soms treden bij dit groeien vertakkingen op.

Een echt grote stroom loopt er nog niet: de (negatieve) lading schuift af en toe iets verder op in het geleidende kanaal, waarbij dat kanaal telkens iets oplicht. De daalsnelheid van de voorontlading is 'slechts' zo'n 1500 kilometer per seconde.

Een of meer takken van de voorontlading kunnen dicht bij de grond komen, op 50 tot 100 meter hoogte. Het kanaal heeft dan ongeveer de elektrische spanning van de wolk en de veldsterkte (volt per meter hoogteverschil) boven de grond loopt dus enorm op. Met name boven spitse punten is er dan geen sprake meer van rustige ionisatie gepaard gaande met Sint Elmusvuur, maar eerder van krachtige vonkvorming, die zich in de richting van het naderende voorontladingskanaal spoedt. Men noemt dit om begrijpelijke redenen de vangontlading.

Hoofdontlading

Als de vangontlading contact maakt, is er een soort kortsluiting ontstaan tussen de ladingscentra in wolk en aarde. Te beginnen bij het contactpunt gaan elektronen dan in grote aantallen sneller bewegen. Even later vult deze sterke stroom het hele kanaal. Men noemt dit de hoofdontlading of soms ook wel de 'terugslag' (return stroke). Dit verschijnsel, dat met hevig oplichten gepaard gaat, verplaatst zich met ca. 100.000 tot 150.000 km/s van de aarde naar de wolk. In het hier geschetste voorbeeld bewegen de elektronen omlaag en in ons spraakgebruik wordt dan de stroomrichting omhoog gerekend. De elektrische stroom loopt immers van plus naar min, tegengesteld aan de elektronen.

Nieuwe ontlading

Dit is nog niet alles. Als de bliksem uitdooft, vindt er een snelle herverdeling van lading in de wolk plaats omdat alle bereikbare lading verplaatst is. Het kanaal wordt dan vaak opnieuw gebruikt, allereerst door een nieuwe, snelle, nu onvertakte, voorontlading, en vervolgens door een nieuwe opwaartse hoofdontlading. Niet zelden herhaalt zich dit alles enkele malen. Wat wij dus als een bliksem waarnemen, bestaat dus vaak uit een aantal zogenaamde 'deelbliksems'. Global Lightning Frequency.png
Aantal blikseminslagen per km²/jaar bron: NASA
Merk op: Zowel op de noordpool als zuidpool komen ze maar zelden voor

Andere oorzaken

 
Vulkanische bliksem tijdens een uitbarsting van de Rinjani op Lombok in 1994.

Niet alleen in onweerswolken treedt bliksem op. Zo is dit onder meer ook het geval bij vulkaanuitbarstingen. Deze vulkanische bliksem treedt op rond de krater en in een later stadium ook in de uitbarstingskolom.

Effecten

  • Een gewoon stuk ijzer of staal kan in een magneet veranderen, als het door de bliksem geraakt wordt.
  • De temperatuur in de binnenkant van de bliksem kan oplopen tot ongeveer 30.000 °C en is dus heter dan het oppervlak van de zon (die is 5780 K (5507 °C)).[2]

Veiligheidsadviezen

Onweersbuien komen vrijwel nooit als een verrassing. Ook in de weersverwachting wordt de kans op onweer aangegeven. Bij naderend onweer is men binnenshuis relatief veilig ten op zichte van buitenshuis.[3] Veilig is men ook in een metalen auto met gesloten dak of metalen caravan, doordat deze bij een blikseminslag fungeren als kooi van Faraday en de lading direct wordt afgevoerd. De restlading die op de auto achterblijft, is zo gering dat het na een inslag niet, zoals soms wordt beweerd, nodig is tegen een paaltje te rijden.[4]

Ook een metalen afsluitbare boot kan als een kooi van Faraday werken wanneer men in de kajuit zit. Het beste kan men overigens, wanneer onweer dreigt op het water, aan wal een veilig onderkomen zoeken. De meeste pleziervaartuigen zijn overigens niet van metaal maar van kunststof, terwijl ze wel een metalen mast hebben, en daarmee zeer onveilig bij onweer. Een blikseminslag kan de kiel doen scheuren. Zwemmers dienen direct het water te verlaten.

Wanneer men buitenshuis verrast wordt door onweer kan men het beste uit de buurt van hoge punten blijven en ook vooral zorgen dat men zelf niet het hoogste punt is. In het open veld kan men het beste gehurkt en ineengedoken gaan zitten met de voeten tegen elkaar aan. Aangezien bomen de bliksem aantrekken is schuilen onder een boom zeer gevaarlijk. Ook beuken trekken, in tegenstelling tot wat sommige volkswijsheden en weerrijmpjes beweren, de bliksem wel degelijk aan.

Het licht van de bliksem is bijzonder fel en een nabije inslag kan verblindend zijn.

In huis

Een huis zonder bliksemafleider is geen perfecte Kooi van Faraday. Bij een (nabije) blikseminslag kan de elektrische stroom zich een weg banen langs leidingen en zo elektrische apparaten beschadigen. De elektrische velden tijdens een ontlading kunnen echter zo sterk zijn dat ook niet aangesloten elektronica beschadigd raakt doordat alle geleidende delen als antenne fungeren en hoge spanningen veroorzaken.

Ook een telefoon met vaste aansluiting of kabels van televisies kunnen bliksem geleiden.[5] Elektronische apparatuur kan beschadigd raken en er kan brand ontstaan na een blikseminslag. Het is ook mogelijk dat de bliksem niet inslaat op het huis, maar via de kabels naar binnen komt.[6][7][8]

Afstand tot de bliksem

Om te bepalen hoe ver de bliksem verwijderd is, kan men het aantal seconden tellen tussen het zien van de bliksem en het horen van de donder. Dit aantal gedeeld door drie is ongeveer de afstand in kilometers. Elke drie seconden betekent namelijk een afstand van ongeveer één kilometer, omdat het geluid met een snelheid van rond de 340 meter per seconde gaat en het licht je (bijna) meteen bereikt.

Het hoogste punt

 
Blikseminslag in de Eiffeltoren in 1902.

Vrijwel alle dingen geleiden stroom beter dan lucht dat doet. Daarom zal de bliksem bij voorkeur via bijvoorbeeld bomen en hoge gebouwen stromen. Ook ijzeren hekwerken zijn goede geleiders.

De blikseminslag veroorzaakt echter ook een gevaar door het potentiaalverschil in de grond. Alle geleidende voorwerpen, zoals een metalen hek maar ook een menselijk lichaam, nemen de stroom uit de grond op en geven hem verderop weer af, doordat ze beter geleiden dan de grond zelf.

Als vuistregel geldt dat de bliksem door een hoog object wordt "aangetrokken" in een gebied met een straal van ca. 1/3 van de hoogte van het object.

In een woestijn zal de bliksem het laagste punt opzoeken. Het zand is namelijk een zeer goede isolator, en de bliksem zal dus het punt opzoeken waar zo min mogelijk zand hoeft te worden doorkruist om bij het grondwater te komen. In een zandwoestijn kan men daardoor in de dalen zeldzame glazen fulgurieten vinden daar waar de stroom van een bliksem door het zand is gegaan.

Verdere gevolgen

Een ontlading geeft in het elektromagnetische spectrum ook een grote invloed. Doordat er plotseling een zeer grote stroom gaat lopen ontstaat er een grote puls van radiogolven, die uit wordt gezonden in een zeer breed spectrum van frequenties. Deze puls breidt zich in een bolvorm uit vanaf de ontlading en kan afhankelijk van de frequentie de wereld rond reizen, soms zelfs meerdere keren. Op de zeer lage VLF en ULF-frequenties (300-30.000 Hz) is dan ook voortdurend geknetter te horen dat wordt veroorzaakt door onweersbuien over de hele wereld. Ook treden daar de zogenaamde whistlers op. Dit zijn dalende fluittonen die ontstaan door interactie van de bliksempulsen met het aardmagnetisch veld.

Radioverbindingen die met amplitudemodulatie werken kunnen door onweersbuien veel storing ondervinden. Op een radio-ontvanger die is afgestemd op de lange golf of de middengolf is bliksem al op grote afstand waar te nemen als geknetter, wat de ontvangstkwaliteit sterk beïnvloedt. Op de hogere frequenties (vanaf ongeveer HF, 3 MHz) worden de golven sneller uitgedoofd en reiken ze minder ver. Deze frequenties zijn dus relatief vrij van storing. Daarom, en omdat in de tropen veel onweersbuien voorkomen, worden in die gebieden hogere frequenties dan de middengolf gebruikt voor lokale en nationale uitzendingen, de zogenaamde tropenbanden. Op verbindingen waarbij gebruik wordt gemaakt van frequentiemodulatie is vrijwel geen storing merkbaar omdat FM-techniek zo is ontworpen dat deze ongevoelig is voor verschillen in signaalsterkte.

Ter plaatse van de inslag kunnen elektrische stromen tot meer dan 100 kA optreden. Die kunnen vernieling van een gebouw of een begin van brand in een gebouw veroorzaken.

Onder impuls van de sterke elektrische ontladingen treden ook plaatselijk wat minder gewone chemische reacties op. Zo wordt er bijvoorbeeld tijdelijk een hogere concentratie aan ozon door onweer veroorzaakt, iets wat mensen soms als een scherpe prikkelende geur waarnemen.

Antennes

Ten slotte kan een ontlading met name in de buurt van antennes grote gevolgen hebben. Antennes staan vaak op of bij het hoogste punt, zijn vaak geaard en vormen zo een potentieel inslagpunt. Maar ook een ontlading in de nabijheid kan in de antenne en antenneleiding enorme stromen induceren. Via de antenneleiding kan alle aangesloten apparatuur, alsmede het 230V-lichtnet (via de netvoeding) voor een groot aantal beschadigde apparaten zorgen.

Hoogspanningsnetten en bliksemspanningen

Stootspanning 750 kV.jpg

Ook hoogspanningsnetten zijn onderhevig aan de invloeden van de bliksem. Bij een directe inslag op een geleider of een mast van het hoogspanningsnet, kunnen via de mast of de kabel stromen van soms wel 20 tot 50 kA naar aarde vloeien en problemen veroorzaken. Om die reden worden zware eisen aan hoogspanningsmateriaal gesteld, vastgelegd in internationale voorschriften. Om na te gaan of aan deze eisen wordt voldaan, worden onder meer in het hoogspanningslaboratorium van de KEMA in Arnhem zogeheten stootspanningproeven uitgevoerd, die aantonen of het materiaal aan de gestelde eisen voldoet.

Voor een objectief en vergelijkbaar onderzoek naar de diëlektrische vastheid van isolatoren en ander hoogspanningsmateriaal, is de vorm waaraan deze bliksemspanningsstoot moet voldoen internationaal genormaliseerd. Deze vorm is overeengekomen na talrijke metingen aan blikseminslagen over de gehele wereld.

Een stoot volgens de internationale voorschriften bestaat uit een volle golf met een aperiodiek karakter.

De definitie voor deze vorm is 1,2/50 μs, waarbij de tijd van 1,2 μs de fronttijd T1 is vanaf het begin van 0 kV tot de topwaarde en T2 (50 μs) betrekking heeft op de tijd, waarin de halfwaardetijd van de stootspanning is bereikt. Om een goed beeld te verkrijgen van de diëlektrische vastheid van een proefobject, worden vijf positieve en vijf negatieve stoten gegeven, aangezien beide polariteiten kunnen voorkomen.

In de grafiek is een spanningsgolf met de vorm 1,2/50 μs afgebeeld van hoogspanningsmateriaal voor een bedrijfsspanning van 150 kV, waarbij een bliksemspanning hoort van 750 kV. Na 50 μs is de halfwaardetijd (T2) bereikt en is de spanning gedaald tot 375 kV.

De totale tijd overigens die de spanningsstoot met vorm 1,2/50 μs nodig heeft om weer tot 0 kV te dalen, bedraagt circa 400 μs.

Zoals onder het artikel Hoogspanning wordt genoemd, hanteert Nederland een aantal spanningsniveaus, lopend van 10 kV tot 380 kV. Bij elke bedrijfsspanning hoort een bliksemspanning, zoals in onderstaande tabel is vermeld. De genoemde spanningen zijn de houdspanningen tussen fase en aarde. Bij deze spanningen mogen tijdens de proefnemingen geen door- of overslagen optreden. Zoals in de tabel te zien is, is de bliksemspanning bij de bedrijfsspanningen 220 kV en 380 kV rond de miljoen volt of hoger.

Bedrijfsspanning

(kV)

Topwaarde

bliksemspanning

(kV)

10 75
20 125
30 170
50 280
110 550
150 750 (zie grafiek)
220 950
380 1425