Orkaanlab: bouw je eigen orkaan
Warm water, schering en droge lucht.
Orkaanlab: bouw je eigen orkaan
Stel het zeewater, de windschering, het vocht en de breedtegraad in en kijk hoe je orkaan groeit of uit elkaar valt, van boven en in doorsnede. Onder het beeld staat steeds waarom, en daarvan ook weer waarom, tot op de bodem.
Verschuif een schuifje terwijl hij loopt en kijk wat er gebeurt. Elke seconde is zes uur.
Wat gebeurt er nu? Klik steeds op Waarom?
Boven warm zeewater, met weinig schering en vochtige lucht, wordt de orkaan steeds sterker.
- Waarom? Warm zeewater verdampt veel. De lucht vlak boven zee wordt warm en zit vol waterdamp: dat is de brandstof van de orkaan.
-
Waarom?
Die lucht stroomt naar het centrum en stijgt op in de ring van buien rond het oog, de oogwand. Hogerop is de luchtdruk lager, dus de lucht zet uit en koelt af.
Basis: Uitzetten koelt af
Stijgende lucht komt onder lagere druk en zet uit. Daarbij duwen de luchtdeeltjes de lucht eromheen opzij; dat kost energie, en die halen ze uit hun eigen warmte. Droge lucht koelt zo ongeveer 10 °C per kilometer af. Voel het zelf: een spuitbus wordt koud als je hem leegspuit.
-
Waarom?
Koudere lucht kan minder waterdamp bevatten. De damp condenseert tot wolken en regen, en daarbij komt de warmte vrij die nodig was om het zeewater te verdampen.
Basis: Verdampen kost warmte, condenseren geeft warmte
Om water te laten verdampen is energie nodig; die wordt uit de omgeving gehaald. Daarom heb je het koud als je nat uit zee komt. Die energie zit daarna "verstopt" in de waterdamp. Condenseert de damp weer tot druppels, dan komt precies diezelfde energie vrij als warmte.
- Waarom? Die warmte blijft in het midden hangen: een kolom lucht die warmer is dan alles eromheen, de warme kern (rood in de doorsnede).
-
Waarom?
Warme lucht is lichter, dus de warme kolom weegt minder. Daardoor daalt de luchtdruk aan de grond, precies onder de kolom.
Basis: Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je
Boven elke plek staat een kolom lucht tot de ruimte; het gewicht daarvan is de luchtdruk. Warme lucht is lichter: de deeltjes bewegen sneller en staan verder uit elkaar. Een warme kolom weegt dus minder en geeft onderin een lagere luchtdruk.
-
Waarom?
Hoe lager de druk in het centrum, hoe harder de lucht van buiten naar binnen stroomt. Hardere wind over zee laat nog meer water verdampen: meer brandstof, meer warmte, nog lagere druk. De orkaan versterkt zichzelf.
Basis: Lucht stroomt van hoge naar lage druk
Waar de druk hoger is, duwt de lucht harder. Daarom stroomt lucht van hoge naar lage druk, en hoe groter het verschil op een korte afstand, hoe harder het waait.
-
Waarom?
Die toestromende lucht draait door het Corioliseffect al een beetje rond het centrum. Stroomt hij naar binnen, dan gaat hij steeds sneller draaien, net als een schaatser die zijn armen intrekt. Zo ontstaan de enorme windsnelheden vlak rond het oog.
Basis: De schaatser die zijn armen intrekt
Een kunstschaatser die met gestrekte armen ronddraait en ze dan intrekt, gaat vanzelf sneller draaien. Lucht doet hetzelfde: lucht die een beetje draait en naar het midden stroomt, gaat steeds sneller rond. Stroomt hij weer naar buiten, dan draait hij langzamer.
Onder ongeveer 26,5 °C zeewater komt de motor niet op gang.
-
Waarom?
Een bui groeit alleen zolang de opstijgende lucht warmer, en dus lichter, blijft dan de lucht eromheen. Is hij dat niet meer, dan stopt hij met stijgen.
Basis: Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je
Boven elke plek staat een kolom lucht tot de ruimte; het gewicht daarvan is de luchtdruk. Warme lucht is lichter: de deeltjes bewegen sneller en staan verder uit elkaar. Een warme kolom weegt dus minder en geeft onderin een lagere luchtdruk.
- Waarom? Hoog in de tropen, op 10 tot 15 km, is de lucht overal ongeveer even koud. De lucht die vanaf zee opstijgt, moet daar nog steeds warmer zijn dan die koude lucht.
-
Waarom?
Hoe warmer en vochtiger de lucht onderin, hoe meer warmte er bij het opstijgen vrijkomt door condensatie, en hoe warmer hij hoog in de lucht nog is.
Basis: Verdampen kost warmte, condenseren geeft warmte
Om water te laten verdampen is energie nodig; die wordt uit de omgeving gehaald. Daarom heb je het koud als je nat uit zee komt. Die energie zit daarna "verstopt" in de waterdamp. Condenseert de damp weer tot druppels, dan komt precies diezelfde energie vrij als warmte.
- Waarom? Boven koeler water verdampt minder en is de lucht onderin koeler. Die lucht is hogerop niet meer lichter dan zijn omgeving: de buien blijven klein, er komt te weinig warmte vrij en er ontstaat geen warme kern.
- Waarom? Ook moet het warme water diep genoeg zijn. De storm woelt de zee om; zit er koud water onder, dan komt dat boven en zet de orkaan zijn eigen brandstof uit. Daarom verzwakt een orkaan die stilligt vaak.
Een orkaan heeft zeewater van minstens 26,5 °C nodig. Hoe wordt het water zo warm?
- Waarom? De zon verwarmt het water. In de tropen staat de zon het hele jaar hoog aan de hemel.
-
Waarom?
Hoe hoger de zon, hoe meer zonne-energie er op elke vierkante meter valt: de stralen vallen er recht op in plaats van schuin.
Basis: Hoe hoger de zon, hoe meer warmte
Schijn met een zaklamp recht op tafel: een klein, fel rondje. Schijn schuin: hetzelfde licht over een grote, vage vlek. Zo werkt de zon ook: in de tropen staat hij hoog en valt al zijn energie op een klein stukje aarde, bij ons valt hij schuiner en wordt dezelfde energie over meer grond verdeeld.
-
Waarom?
Water warmt langzaam op: er is veel meer energie nodig om water een graad warmer te maken dan lucht of zand. Een zee heeft dus maanden zon nodig om op te warmen.
Basis: Water warmt langzaam op (en koelt langzaam af)
Om een liter water een graad warmer te maken is ongeveer vier keer zo veel energie nodig als voor een kilo zand of lucht. Daarom is het zand op het strand op een zomermiddag gloeiend heet, terwijl de zee nog fris is. En daarom blijft de zee in de herfst nog lang warm, ook als de zon al lager staat.
- Waarom? Daarom is de zee pas laat in de zomer het warmst, en piekt het orkaanseizoen op de Atlantische Oceaan rond 10 september, terwijl de zon al in juni het hoogst stond.
- Waarom? Golven en wind mengen de bovenste tientallen meters van de zee. De warmte zit daardoor niet in een dun laagje maar in een dikke laag. Dat is wat een orkaan nodig heeft: woelt hij de zee om, dan komt er nog steeds warm water boven.
- Waarom? Zeestromen verplaatsen warm water. De Golfstroom voert warm water van de tropen naar het noorden, langs de oostkust van de VS. Daarom kunnen orkanen daar, ver van de evenaar, nog sterk blijven.
-
Waarom?
Ook het weer zelf telt mee. Onder een strakblauwe lucht komt meer zon binnen. En bij weinig wind verdampt er minder water; verdampen kost warmte, dus minder verdamping betekent dat het water minder afkoelt.
Basis: Verdampen kost warmte, condenseren geeft warmte
Om water te laten verdampen is energie nodig; die wordt uit de omgeving gehaald. Daarom heb je het koud als je nat uit zee komt. Die energie zit daarna "verstopt" in de waterdamp. Condenseert de damp weer tot druppels, dan komt precies diezelfde energie vrij als warmte.
Onder ongeveer 5° breedte ontstaan geen orkanen, hoe warm het water ook is.
-
Waarom?
Lucht stroomt van hoge naar lage druk. Zonder draaiing zou de lucht recht naar het lagedrukgebied stromen en het binnen een dag opvullen: dan is er geen lage druk meer.
Basis: Lucht stroomt van hoge naar lage druk
Waar de druk hoger is, duwt de lucht harder. Daarom stroomt lucht van hoge naar lage druk, en hoe groter het verschil op een korte afstand, hoe harder het waait.
- Waarom? Een orkaan heeft dus draaiing nodig: lucht die rond het centrum stroomt in plaats van ernaartoe. Zo blijft de lage druk bestaan.
-
Waarom?
Die draaiing komt van de aarde: het Corioliseffect buigt bewegende lucht op het noordelijk halfrond naar rechts af. Lucht die naar het centrum stroomt, gaat daardoor tegen de klok in rond het centrum.
Basis: Het Corioliseffect
De aarde draait. Op de evenaar beweegt de grond met zo'n 1670 km/u naar het oosten mee, dichter bij de polen veel langzamer. Lucht die naar het noorden stroomt, houdt zijn snelle oostwaartse vaart en "loopt voor": hij buigt naar rechts af. Op het noordelijk halfrond buigt bewegende lucht altijd naar rechts af, op de evenaar helemaal niet.
- Waarom? Op de evenaar is het Corioliseffect nul, en tot een paar graden ervandaan heel zwak. De lucht wordt niet afgebogen, stroomt het lagedrukgebied in en vult het op voordat er een draaiing kan ontstaan.
Bij veel windschering kantelt de orkaan en verzwakt hij.
- Waarom? Windschering betekent: de wind hoog in de lucht (rond 12 km) waait anders dan de wind laag (rond 1,5 km), in kracht of richting. Vanaf ongeveer 20 knopen verschil wordt het lastig voor een orkaan.
- Waarom? De orkaan wordt onderin door de ene wind geduwd en bovenin door een andere. De bovenkant, met de buien en de warme kern, schuift daardoor weg van het centrum aan de grond: hij staat scheef.
-
Waarom?
De luchtdruk op een plek is het gewicht van de lucht recht erboven. Staat de warme, lichte kolom niet meer boven het centrum, dan daalt de druk daar niet verder. De druk daalt dan ergens opzij, waar het niets helpt.
Basis: Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je
Boven elke plek staat een kolom lucht tot de ruimte; het gewicht daarvan is de luchtdruk. Warme lucht is lichter: de deeltjes bewegen sneller en staan verder uit elkaar. Een warme kolom weegt dus minder en geeft onderin een lagere luchtdruk.
-
Waarom?
Zonder dat drukverschil stroomt er minder lucht naar binnen, verdampt er minder zeewater en krijgt de motor minder brandstof. De zelfversterking van "sterker worden" draait de andere kant op.
Basis: Lucht stroomt van hoge naar lage druk
Waar de druk hoger is, duwt de lucht harder. Daarom stroomt lucht van hoge naar lage druk, en hoe groter het verschil op een korte afstand, hoe harder het waait.
- Waarom? Bovendien waait de wind nu dwars door de orkaan heen in plaats van eromheen. Zo komt droge lucht van buiten de kern in: zie "droge lucht".
Rond de orkaan zit op 3 tot 6 km hoogte droge lucht, en die komt nu de kern in.
- Waarom? Bron 1: de Sahara. Boven de woestijn is bijna geen water om te verdampen, en de hete grond warmt de lucht op tot zo'n 5 km hoog. Oostenwinden blazen die hete, droge, stoffige lucht over de Atlantische Oceaan: de Saharalaag.
- Waarom? Bron 2: lucht die al uitgeregend is. In buien elders is lucht opgestegen en heeft hij zijn water verloren als regen. Bovenin stroomt hij weg en zakt hij langzaam weer, in de hogedrukgebieden.
-
Waarom?
Zakkende lucht wordt samengedrukt en warmt op. Er komt geen water bij, maar warmere lucht kan veel meer waterdamp bevatten: de relatieve vochtigheid daalt naar 20 tot 30%.
Basis: Samendrukken warmt op
Precies andersom: zakkende lucht komt onder hogere druk, wordt samengedrukt en warmt op, ook ongeveer 10 °C per kilometer. Voel het zelf: een fietspomp wordt warm als je pompt.
- Waarom? Normaal blijft die droge lucht buiten: de lucht in de kern draait mee rond het centrum en blijft vochtig. Een sterke orkaan met een gesloten oogwand beschermt zichzelf zo.
- Waarom? Maar bij schering waait de wind dwars door de orkaan en blaast hij die droge lucht naar binnen. Daarom zijn schering en droge lucht samen het gevaarlijkst, en vooral voor jonge, zwakke stormen.
Komt er droge lucht in de kern, dan worden de buien in de oogwand zwakker.
- Waarom? De regen uit de buien valt door de droge lucht heen en verdampt.
-
Waarom?
Verdampen kost warmte. Die warmte wordt uit de lucht gehaald, dus de lucht koelt af.
Basis: Verdampen kost warmte, condenseren geeft warmte
Om water te laten verdampen is energie nodig; die wordt uit de omgeving gehaald. Daarom heb je het koud als je nat uit zee komt. Die energie zit daarna "verstopt" in de waterdamp. Condenseert de damp weer tot druppels, dan komt precies diezelfde energie vrij als warmte.
-
Waarom?
Afgekoelde lucht is zwaarder en zakt hard naar beneden: een valwind (downdraft, blauw in de doorsnede).
Basis: Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je
Boven elke plek staat een kolom lucht tot de ruimte; het gewicht daarvan is de luchtdruk. Warme lucht is lichter: de deeltjes bewegen sneller en staan verder uit elkaar. Een warme kolom weegt dus minder en geeft onderin een lagere luchtdruk.
- Waarom? Die koele, droge lucht komt onderin terecht, precies waar de orkaan zijn brandstof vandaan haalt. De lucht die de oogwand in stroomt, is nu koeler en droger.
-
Waarom?
Koele, droge lucht moet veel hoger komen voordat hij condenseert, en geeft daarbij minder warmte af. Hij wordt niet lichter dan zijn omgeving en stijgt niet goed: de buien in de oogwand verzwakken.
Basis: Warme lucht kan meer waterdamp bevatten
Hoe warmer de lucht, hoe meer waterdamp erin past: per 10 °C ongeveer twee keer zo veel. Koelt lucht af, dan past de damp er op een gegeven moment niet meer in en condenseert hij: zo ontstaan wolken. Warmt lucht op zonder dat er water bijkomt, dan wordt hij relatief droger.
-
Waarom?
Minder buien betekent minder warmte in de kern. De kolom koelt af en wordt zwaarder, de luchtdruk in het centrum stijgt, het drukverschil wordt kleiner en de wind zwakker. De motor draait achteruit.
Basis: Luchtdruk is het gewicht van de lucht boven je
Boven elke plek staat een kolom lucht tot de ruimte; het gewicht daarvan is de luchtdruk. Warme lucht is lichter: de deeltjes bewegen sneller en staan verder uit elkaar. Een warme kolom weegt dus minder en geeft onderin een lagere luchtdruk.
Bij veel schering of droge lucht raakt het oog open en verdwijnt het.
- Waarom? Het oog bestaat dankzij een gesloten ring van zware buien eromheen: de oogwand. Daar stijgt de lucht het hardst.
-
Waarom?
Een deel van die opgestegen lucht zakt bovenin terug naar het midden. Zakkende lucht warmt op en droogt uit: daarom is het oog wolkenloos en warm.
Basis: Samendrukken warmt op
Precies andersom: zakkende lucht komt onder hogere druk, wordt samengedrukt en warmt op, ook ongeveer 10 °C per kilometer. Voel het zelf: een fietspomp wordt warm als je pompt.
- Waarom? De buien in de oogwand leven van de warme, vochtige lucht die onderin binnenstroomt. Aan de kant waar droge lucht binnenkomt of waar de schering de top wegblaast, gaan ze dood.
- Waarom? Dan is de ring niet meer rond: er zit een gat in de oogwand. Door dat gat stroomt lucht het oog in, het zakken stopt en het oog loopt vol wolken.
-
Waarom?
Zonder gesloten ring kan de draaiing zich niet meer op één smalle plek concentreren. De wind spreidt zich uit over een groter gebied en wordt zwakker, net als een schaatser die zijn armen weer uitsteekt.
Basis: De schaatser die zijn armen intrekt
Een kunstschaatser die met gestrekte armen ronddraait en ze dan intrekt, gaat vanzelf sneller draaien. Lucht doet hetzelfde: lucht die een beetje draait en naar het midden stroomt, gaat steeds sneller rond. Stroomt hij weer naar buiten, dan draait hij langzamer.