Condensatie en wolkenvorming

Lucht die 1 km stijgt, koelt 9.8 °C af tot ze verzadigd is, en daarom hebben wolken een vlakke onderkant.

Een koud glas op een hete dag

Haal op een vochtige dag een blikje koud drinken uit de koelkast, en binnen een minuut is de buitenkant nat. Het water is niet door het blikje gelekt. Het kwam uit de lucht. Lucht die het koude metaal raakt, koelt af, en koelere lucht kan minder damp bevatten dan warme, dus de overtollige damp condenseert tot vloeistof. Dit is condensatie, het tegenovergestelde van verdamping, en precies zo ontstaan wolken.

NOAA beschrijft het met twee temperaturen: de luchttemperatuur en het dauwpunt. Het dauwpunt is de temperatuur waarbij de lucht verzadigd raakt. Koel de lucht af tot onder het dauwpunt en damp begint te condenseren. Als de luchttemperatuur en het dauwpunt vlak bij de grond gelijk zijn, krijg je vaak mist.

Stijgende lucht koelt zichzelf af

De meest voorkomende manier om lucht tot het dauwpunt af te koelen is haar op te tillen. De luchtdruk daalt met de hoogte, dus een stijgende luchtbel (een luchtpakket) zet uit. Uitzetten kost het luchtpakket zelf energie, en het koelt af ook al is er geen warmte uit weggegaan. Meteorologen noemen dit adiabatische afkoeling. Voor droge lucht bedraagt de afkoeling 9.8 °C per kilometer stijging, de droogadiabatische temperatuurgradiënt.

Bijvoorbeeld: lucht aan de grond is 30 °C met een dauwpunt van 18 °C. Bij het stijgen daalt de temperatuur ongeveer 9.8 °C per km en het dauwpunt ongeveer 1.8 °C per km. Het verschil van 12 °C neemt met 8 °C per km af, zodat het condensatieniveau door opheffing ongeveer 12 ÷ 8 = 1.5 km boven het vertrekpunt ligt. Daar verschijnen de eerste druppels, en omdat alle lucht in het gebied ongeveer dezelfde temperatuur en hetzelfde vocht heeft, bereikt ze op ongeveer dezelfde hoogte verzadiging. Die gedeelde hoogte is de vlakke basis die je op een zomermiddag onder een rij cumuluswolken ziet.

Elke druppel heeft een deeltje in zijn midden

Wolkendruppels ontstaan meestal wanneer waterdamp condenseert op aerosoldeeltjes, de condensatiekernen. Zeezout, stof, rook en vulkanische as kunnen zulke deeltjes leveren. Activering hangt af van deeltjesgrootte, samenstelling en de mate van oververzadiging van de lucht, niet van een universele minimumstraal. Een groeiende druppel wordt veel groter dan zijn kern en bestaat nog steeds bijna volledig uit zuiver water.

Condensatie geeft ook de energie terug die verdamping nam. Als damp vloeistof wordt, komt warmte vrij in de omringende lucht. Die warmte maakt de wolkenlucht lichter, zodat ze verder stijgt, meer condenseert en nog meer warmte vrijmaakt. NOAA wijst erop dat deze vrijkomende warmte helpt orkanen op te bouwen. Een wolk is nooit af: aan de randen verdampen druppels steeds terwijl er binnenin nieuwe ontstaan, en daarom veranderen wolken van vorm terwijl je kijkt.