Wikijunior:Natuurkunde/Het weer

Gezocht: Wikibookianen die een beroep hebben waar natuurkunde bij gebruikt wordt en die in het hoofdstuk "Einde" heel kort iets willen vertellen over hun beroep.

Inleiding: Gegevens over het weer verzamelen

Het weer is een populair onderdeel van het nieuws. Veel mensen willen weten wat voor weer het morgen en de rest van de week worden zal. Daarom kun je elke dag bijv. op www.meteogroup.nl en www.knmi.nl de actuele weersvoorspellingen lezen, zenden radio en tv elke dag weerberichten uit en besteden ook de papieren kranten veel aandacht aan het weer.

Luchtdruk

Het weer voorspellen

Nederland vanuit de Aqua satelliet, NASA AQUA/MODIS

Voordat ze iets willen zeggen over het weer gaan ze van alles meten. Temperatuur, luchtdruk, wind... maar niet alleen in Nederland. Op tienduizenden plekken meten ze van alles met behulp van bijvoorbeeld weerboeien, satellieten en weerballonnen. Die metingen sturen ze dan naar hele speciale computers en dan bekijken weerkundigen de voorspelling. Die klopt natuurlijk lang niet altijd. Met behulp van die voorspelling, maken ze dan een weerbericht en dit sturen ze dan naar de weerman.

Luchtdruk meten

Als je het weer voorspelt, is de luchtdruk belangrijk. Om luchtdruk te meten, gebruik je een barograaf die de luchtdruk meet. Maar hoe werkt dat? In de barograaf zit een metalen doosje die als de luchtdruk daalt wordt teruggeveerd en als de luchtdruk stijgt in elkaar wordt gedrukt. De eenheid voor luchtdruk is millibar. (mbar) 1 mbar is gelijk aan 100 Pa. De luchtdruk op aarde ligt meestal tussen de 970 mbar en 1040 mbar (97000 Pa en 104000 Pa). Op weerkaarten staan altijd hogedrukgebieden en lagedrukgebieden. Dat zijn gebieden met een hoge of lage luchtdruk. Je ziet op tv een rode lijn voor hogedrukgebieden en blauwe voor lagedrukgebieden. Een lagedrukgebied brengt meestal veel regen, sneeuw en wind en een hogedrukgebied droog en zonnig weer. Daarom kun je een barometer gebruiken om het weer te voorspellen. Als de luchtdruk stijgt, zal het weer waarschijnlijk verbeteren.

Hoogte

De luchtdruk wordt veroorzaakt door het gewicht van de lucht in de atmosfeer. Een paar liter lucht weegt welliswaar bijna niks, maar alle lucht is niet te tillen. Stel je voor: als de luchtlaag op aarde geen lucht was, maar water, zou de druk even groot blijven, namelijk ongeveer 100.000 Pa. Als je een berg beklimt, wordt het, naarmate je hoger komt, moeilijker om te ademen. Dat komt, omdat als je hoger de lucht in gaat, de luchtdruk lager wordt. Daarom kun je een barometer ook als een soort hoogtemeter gebruiken. Op zeeniveau is de luchtdruk ongeveer 1013 mbar en op 30 kilometer hoogte nog maar 4 mbar!

Onderdruk en overdruk

In de band van een auto zit lucht. De luchtdruk in de band is groter dan de luchtdruk van de buitenlucht. Je kunt de luchtdruk in autobanden meten met een manometer. Maar je kunt ook de druk in andere afgesloten ruimtes meten, zoals in een gasfles. De druk van het gas in de afgesloten ruimte drukt een membraam (gegolfd metalen plaatje) naar boven. Dan wordt er op een meter een beweging overgebracht die de druk van het gas aangeeft.

De meeste manometers geven niet de echte druk aan, maar de overdruk. Dat is het verschil tussen de luchtdruk binnen en de lucht buiten de afgesloten ruimte. Als je lucht wegpompt uit de afgesloten ruimte, ontstaat er onderdruk. Die onderdruk kun je met een manometer meten.

Temperatuur

Temperatuur meten

Maar weerkundigen meten niet alleen luchtdruk om een voorspelling te maken. Ook de temperatuur is belangrijk. Om de temperatuur te meten, worden thermometers gebruikt. Er zijn heel veel verschillende soorten thermometers. Weerkundigen hangen hun thermometer ongeveer een meter boven de grond, in een speciaal daarvoor gemaakt kastje. De lucht kan in en uit het kastje stromen dankzij spleten in de wanden. Zo kan de temperatuur gemeten worden, zonder dat de thermometer wordt beïnvloed door de zon of neerslag zoals regen en sneeuw.

Thermometers ijken

De meeste thermometers worden gebruikt met een schaalverdeling in graden Celsius, dat kun je afkorten naar ˚C. Het aanbrengen en controleren van zo’n schaalverdeling wordt ijken genoemd. Om te kunnen ijken, werkt men met twee vaste punten. Het ene punt komt overeen met een vaste lage temperatuur en de andere met een vaste hoge temperatuur. Bij de temperatuurschaal graden Celsius is het lage punt het smeltpunt van water (0˚C) en het hoge punt het kookpunt van water. (100˚C) Bij het lage punt staat het getal 0 en bij het hoge punt het getal 100. De afstand tussen die twee punten verdeel je tenslotte in 100 punten, en die punten noem je dan graden.

Andere soorten thermometers

Bimetaal thermometer

Er zijn verschillende types thermometer in gebruik:

• Vloeistofthermometer - deze werkt met een dunne glazen buis naast een schaalverdeling. Vaak wordt kwik of gekleurde ethanol gebruikt, maar ook andere organische vloeistoffen worden gebruikt. Door de uitzetting van de vloeistof stijgt de kolom als de temperatuur hoger wordt.
• De Galileo-thermometer die werkt op basis van de Wet van Archimedes.
• Thermokoppel. Deze bestaat uit twee draden van verschillend metaal. Op het contactpunt ontstaat een elektrische spanning die afhankelijk is van de temperatuur.
• Infrarood thermometers. Deze meet de infrarode straling van het object. Hoe heter het object, des te hoger is de frequentie van het uitgestraalde infrarode licht. Zie ook elektromagnetische straling.
• Temperatuurgevoelige weerstand. Dit is een elektrische weerstand waarvan de grootte van de weerstand toe- (positieve temperatuurcoëfficiënt) of afneemt (negatieve temperatuurcoëfficiënt) met de temperatuur. Door na ijking de weerstand te meten komt men de temperatuur te weten. Deze worden in elektronische thermometers gebruikt.
• koortsthermometers met kwik hebben een extra dun stukje capillair aan het begin van de stijgbuis, waardoor de kwikkolom bij het weer afkoelen afbreekt, zodat de bereikte maximale temperatuur blijft staan en kan worden afgelezen tot de thermometer wordt 'afgeslagen'. Het bereik van normale koortsthermometers is gering, van 35 tot 42 °C, maar de nauwkeurigheid groot.
• bimetaalthermometers die gebruikmaken van de verschillende uitzettingscoëfficiënt van twee strips metaal die op elkaar vast zijn gelast of gesoldeerd. Als de temperatuur verandert trekt het bimetaal krom. Deze worden gebruikt in eenvoudige kamerthermostaten
• Gasthermometers. Deze werken op grond van de variaties van druk als het gas wordt verwarmd of afgekoeld. Als regel wordt waterstof, helium of stikstof gebruikt. Dit zijn de nauwkeurigste en gevoeligste thermometers, maar ze zijn moeilijk in het gebruik.

Draadloze thermometer

In principe kan elke fysische meetwaarde die temperatuurgevoelig is worden gebruikt om een thermometer te maken. Aangezien bijna alle macroscopische effecten temperatuurgevoelig zijn resulteert dit in een constatering die door Fokke Tuinstra, emeritus hoogleraar in Delft werd geformuleerd als alles is een thermometer.

De Kelvinschaal

Het nulpunt van de schaal van Celsius is gewoon zomaar gekozen. Celsius had ook het smeltpunt of misschien juist het kookpunt van andere stoffen kunnen kiezen. Maar je kunt zo makkelijk aan water komen, wat een groot voordeel is. Bovendien is het voor allerlei weersverschijnselen belangrijk of de temperatuur onder de 0˚C ligt of net erboven. De schaal van Celsius sluit dus goed aan wat de mens belangrijk vindt. Als een stof warmer of kouder wordt, is dat eigenlijk niet echt zo! Temperatuur gaat over de beweging van moleculen. Als de temperatuur van een stof stijgt, bewegen de moleculen sneller en als de temperatuur daalt, gaan ze langzamer. Bij -273˚C staan ze helemaal stil. De temperatuur kan nooit lager worden van -273˚C. Daarom heet die temperatuur het absolute nulpunt. Maar deze temperatuur is echter ook nog nooit bereikt. In de natuurkunde wordt bij het meten van temperatuur vaak de kelvinschaal gebruikt. Deze lijkt een beetje op de schaal van Celsius. Maar er is een heel belangrijk verschil. Het nulpunt is niet het smeltpunt van water, maar de laagste temperatuur die er is: -273˚C. Voor wetenschap is dit een goede keus, maar voor alledaagse zaken is deze schaal niet praktisch. Om de temperatuur in Kelvin (K) te vinden moet je 273 optellen bij de temperatuur in graden Celsius. Het absolute nulpunt (-273˚C) is dus 0 K, 0˚C komt overeen met 273 K, 100 ˚C met 373 K enzovoorts. Om van Kelvin terug te rekenen naar Celsius, moet je 273 van de temperatuur in K aftrekken. Voorbeeld: alcohol kookt bij 351 K. Het kookpunt van alcohol is dus 351 – 273 = 78˚C.

Wolken en neerslag

Dauw en rijp

Als je water laat verdampen, wordt het waterdamp. Deze damp wordt opgenomen door de lucht. Hoe hoger de temperatuur, hoe meer waterdamp de lucht kan hebben. Daarom blaast een wasdroger droge, warme lucht door je natte kleding. Die neemt het water namelijk veel gemakkelijker op dan koude lucht.

Hoogte van het dauwpunt

Damp condenseert niet altijd bij dezelfde temperatuur. De hoogte van het dauwpunt speelt er een belangrijke rol bij, want zo wordt bepaald hoeveel waterdamp op dat moment in de lucht kan tegenover de hoeveelheid die er maximaal in kan. Voorbeelden:

• Bij 20˚C kan er maximaal 14,7 gram aan damp in 1 kg lucht.
• Bij 10˚C kan er maximaal 7,9 gram aan damp in 1 kg lucht.
• Bij 0˚C kan er maximaal 3,8 gram aan damp in 1 kg lucht.

Stel je voor: De lucht bevat 7,9 gram aan waterdamp en het is 20˚C. Het dauwpunt is dan 10˚C. Maar... tot deze temperatuur moet de lucht afgekoeld worden zodat de lucht precies aan zijn maximale hoeveelheid waterdamp komt (namelijk. 7,9 gram per kg). Net onder die temperatuur ontstaan de eerste regendruppels. En als er geen wolken aan de lucht staan, koelt het 's nachts sterk af. Meestal daalt de temperatuur dan onder het dauwpunt. Dat kun je merken als je kampeert. Dan is de volgende ochtend het gras kletsnat, en dat komt door de dauw.

Ontstaan van stapelwolken

Bewolking

Als de zon het oppervlak verwarmt, wordt de bodem op de ene plaats warmer dan op de andere. Waar de grond warmer is, ontstaan grote bellen met warme lucht. Dit noem je thermiek. Dit ontstaat doordat als de grond warmer is, de lucht vlak erboven ook warmer wordt.

Lucht die warm wordt, zet uit. Daardoor hebben de bellen met warme lucht een kleinere dichtheid dan de omringende koude lucht. En daardoor zijn het ook bellen met warme lucht die omhoog bewegen.

Als de lucht in de bel stijgt, koelt de lucht weer af. Uiteindelijk komt de temperatuur onder het dauwpunt en dan ontstaan er waterdruppels. Dan wordt de luchtbel zichtbaar: er is een gaswolk ontstaan. Meestal is zo'n wolk aan de onderkant vlak. Dat komt doordat daar het condensatieniveau ligt. Dat is de hoogte waarop de damp weer gaat condenseren, of makkelijker gezegd, weer vloeibaar water wordt. Aan de toppen van de stapelwolk kun je zien hoe groot de bellen met warme lucht omhoog gestegen zijn.

Mooi- weerwolken of buienwolken

Maar soms komt het welleens voor, dat de temperatuur in opstijgende luchtbellen niet veel hoger is dan die van de omringende lucht. Zulke luchtbellen stijgen een stuk langzamer op en komen ook niet zo hoog. Je krijgt dan een wolk waarin het er rustig aan toe gaat. Dat betekent meestal mooi weer. Het is dus een echte mooi-weerwolk.

Maar het kan ook zijn, dat de opstijgende lucht veel warmer is dan de omringende lucht. Dan kunnen de luchtbellen heel hoog komen. Je krijgt dan grote wolken met een donkere onderkant. Bovenin de wolken is het zo koud dat er ijs ontstaat. De lucht in de wolk is de hele tijd in beweging en daardoor botsen de druppels en ijskristallen met elkaar en versmelten ze. Grotere druppels en ijskristallen sleuren de kleine mee tot ze te zwaar worden en naar beneden vallen. Vaak smelten de ijskristallen voor ze de aarde bereiken. In dat geval valt er dus regen. Maar in de winter ligt de luchttemperatuur soms onder 0˚C. Dan bereiken de ijskristallen het aardoppervlak zonder dat ze smelten. Dan groeien de ijskristallen aan elkaar en vormen ze uiteindelijk vlokken. En dat is dan sneeuw. {{Proef met ouder proef=Jouw eigen wolk| materiaal=lucifers, smalle kaars, grote glazen fles, volwassene| uitvoering=Steek de kaars aan, pak de fles en hou hem ondersteboven. Steek de kaars vijf seconden in de hals van de fles. KIJK UIT, want de fles kan heet worden. Haal na vijf seconden de fles weg, laat hem afkoelen en bedek de hals van de fles met je mond. Blaas hard en probeer die lucht in je fles te krijgen! En als je je mond dan uiteindelijk weghaalt, heb je je eigen wolk gemaakt. Hoe zag hij eruit?|}}

Luchtvochtigheid

Stel: je loopt overdag door de hitte. Het is dan bloedheet. Dan zweet je. Je zweet verdampt dan en zo koel je af en heb je minder last van de warmte. Maar als de lucht vochtig is, verdampt je zweet langzaam en krijg je het wel erg warm. Aan de luchtvochtigheid kun je zien of de lucht veel waterdamp bevat. De luchtvochtigheid is 100%, als de lucht de maximale hoeveelheid damp bevat. Als het 30˚C is en er 25 gram waterdamp per kg lucht zal het ‘drukkend’ aanvoelen. Bij deze temperatuur kan de lucht namelijk maximaal 27 gram waterdamp per kg lucht bevatten. De vochtigheid zal daarom bijna 100% zijn. Als lucht van 30˚C nu 9 gram waterdamp per kg lucht bevat, is dat 9/27 deel van de maximale hoeveelheid, of beter 1/3. De luchtvochtigheid is dan ongeveer 33%. We kunnen dan zeggen dat het droog en te houden zomerweer is. . De luchtvochtigheid - beter gezegd - de relatieve vochtigheid - is dus een verhouding tussen de werkelijke hoeveelheid waterdamp gedeeld door de maximale hoeveelheid waterdamp (bij een bepaalde temperatuur).

In een haarhygrometer zit een ontvette mensenhaar. Als de luchtvochtigheid stijgt, neemt de haar meer water op en daardoor wordt 'ie langer. En als de luchtvochtigheid daalt, wordt 'ie weer korter. De beweging wordt overgebracht op een meter. Voorbeeldje: het is 30˚C en de lucht bevat 18 gram waterdamp per kg lucht. Je kunt dan de luchtvochtigheid als volgt berekenen. De maximale luchtvochtigheid is 27 gram per kg. Je doet dan 18/27=66,7%.

Onweer

Voorwerpen opladen

Als je over een pvc-buis wrijft met een wollen doek, kan hij papiersnippers aantrekken. Hij kan ook dunne straaltjes water aantrekken. De buis is elektrisch geladen. Je zegt ook wel 'statisch'. Er zijn een heleboel dingen die je kunt laden:

• je haar door ze te kammen
• plakband door het snel van de rol te trekken
• een ballon door hem op te blazen en over je trui te wrijven.

Bij een lage luchtvochtigheid gaat het opladen het makkelijkst. Een heldere vriesdag is ideaal als je een proefje met geladen voorwerpen wil doen. Dat een voorwerp geladen is, kun je merken doordat ze andere voorwerpen aantrekken, bijvoorbeeld een televisiescherm die stof aantrekt. Ook is het mogelijk dat er vonken overspringen naar andere voorwerpen, maar ook naar jezelf! Je kunt die vonkjes horen als geknetter en soms kun je ze zelfs zien of voelen.

Positief en negatief

Een perspex staaf wordt geladen als je hem wrijft met een zijden doek en een pvc door hem met een wollen doek te wrijven. Maar er is wel een verschil tussen de landing. Dit kun je merken aan de elektrische krachten die ze op elkaar aanoefenen. Een paar voorbeelden: twee geladen perspex staven stoten elkaar af. Ook twee geladen pvc-buizen stoten elkaar af. Maar een geladen perspex staaf en een geladen pvc-buis trekken elkaar juist aan! Er zijn twee soorten ladingen: positieve lading en negatieve lading. Voorwerpen met dezelfde lading stoten elkaar af en voorwerpen met een verschillende lading trekken elkaar aan. Maar veruit de meeste voorwerpen om je heen hebben geen positieve of negatieve lading. Ze zijn neutraal. Ook een pvc-buis is onder normale omstandigheden neutraal. Alleen als je de buis met een wollen doek of iets dergelijks wrijft, wordt het geladen.

Ontladen

Geladen voorwerpen ontladen. Dat betekent dat ze de lading langzaam weer kwijtraken. Hoe hoger de luchtvochtigheid, hoe sneller het voorwerp ontlaadt. Maar er is nog een andere manier om een voorwerp te kunnen ontladen. Namelijk dat er vonken kunnen overspringen naar andere mensen of dingen. Zo kan een voorwerp zijn lading kwijtraken. Dat vonken over kunnen springen, komt doordat de geladen voorwerpen een hoge spanning hebben. Auto's kunnen bijvoorbeeld een spanning krijgen van maar liefst 3000 volt! Je kunt dat merken als je uitstapt. Je voelt een schok. Er loopt dan heel even stroom door je lichaam, waardoor de auto ontlaadt. Dit gaat zo snel dat je geen schade oploopt.

Bliksem en donder

Onweer in Denver

Onweersbuien ontstaan wanneer thermiekbellen met warme, vochtige lucht snel kunnen opstijgen. Je krijgt dan grote onweerswolken die meer dan 10 km hoog kunnen worden. De lucht die in deze wolk is, is heel sterk in beweging. Door de snelheid waarmee de luchtdeeltjes zo’n wolk elkaar passeren (tot zo’n 80 km/u), ontstaat er een verschil in lading van de wolk. De warme lucht stijgt dan op en koude lucht met regendruppels en hagelstenen valt naar beneden. Sneeuw en regen beweegt langs elkaar en botst, waardoor de wolk geladen wordt. Je zou het niet zeggen, maar tussen de onderkant van onweerswolken en de aarde bestaat een grote spanning die honderden miljoenen volt kan zijn! Daardoor kan er in de lucht tussen de wolk en tussen de aarde een verbinding ontstaan. Daar springt dan een gigantische vonk over - een bliksemflits - tussen de wolk en de aarde. Bliksemflitsen zijn korte, maar hevige stroomstoten waarbij een onweerswolk gedeeltelijk wordt ontladen. Zo'n ontlading bestaat uit twee delen: eerst een uit vele takken bestaande bliksem van plus naar min, vervolgens een tegenstroming die de kortsluiting (bliksem) veroorzaakt. De stroomsterkte in zo'n bliksemflits kan oplopen tot maarliefst 20.000 ampère, de spanning tot 300 miljoen volt en de temperatuur tot 30.000˚C! Door die enorme hitte zet de lucht rond de bliksemflits sterk uit, waardoor er een geluidsgolf ontstaat die alle kanten opgaat. Dit geluid - en zijn echo's - is de donder. De bliksem slaat vaak in op hoge voorwerpen, zoals kerktorens. De stroom zoekt dan een weg door het voorwerp naar de aarde. Langs de weg die de bliksem volgt, wordt heel veel schade aangericht. Er kan zelfs brand ontstaan! Je kunt hoge gebouwen beschermen tegen blikseminslagen met behulp van een bliksemafleider. Die biedt de bliksem een goed geleidende weg naar de aarde, want de bliksem zal die weg veel eerder volgen dan de veel slechter geleidende route door de muren van het gebouw.

Hagel

Kleine hagelstenen die zijn doorgesneden en 246x vergroot

Hagel ontstaat doordat kleine ijs- en sneeuwkristallen terechtkomen in lagen lucht met grote onderkoelde druppels water. Het bovenste deel van een buienwolk, waar het kouder kan zijn dan -20°C, heeft ijskristallen en het onderste deel, met temperaturen tussen -20°C en -10°C heeft onderkoelde druppels. Dalende en stijgende bewegingen van de lucht in de wolk jagen deeltjes ijs door niveaus met heel veel onderkoeld water. Zo komen ze in botsingen met ijs en andere onderkoelde druppels. Die onderkoelde druppels zetten zich af op de ijskristallen die groter worden en ten slotte uit de wolk vallen in de vorm van hagel.

De meeste hagelstenen bestaan uit laagjes die de ene keer mat zijn en de andere keer helder. In het matte deel zijn de botsende deeltjes of druppels onmiddellijk vastgevroren op grote, koude hoogten; in het heldere deel is er vloeibaar water op lagere warmere hoogte ingevangen. Dat is pas later op koudere hoogte bevroren. Uiteindelijk vallen de hagelstenen naar beneden. Zware hagelbuien kunnen veel schade aanrichten en mensen ernstig verwonden.

Weerman spelen

Proef: Weerman spelen
Benodigdheden: buitenthermometer, barometer of een krant, fles, kiezelstenen, maatbeker, kladblok, schone ondiepe bak, koffiefilter en een koffiehouder Wolken Bestudeer de wolken en noteer in je blocnote waar de wolken heen drijven en hoe ze eruit zien. Wind Kijk naar de wolken waar ze heen drijven. Als de richting verandert, is de windrichting veranderd en kan dat betekenen dat er regen of sneeuw op komst is. Temperatuur Bekijk elke dag de temperatuur op een buitentemperatuur in de schaduw op dezelfde tijd. Luchtdruk Als je een barometer hebt, zet dan in je blocnote wat hij aangeeft. Als je geen barometer hebt, de luchtdruk staat ook aangegeven op de weerpagina's van kranten. Bekijk van dag tot dag of de druk is toegenomen of afgenomen. Regen Verzamel buiten regenwater in een open fles. Leg kiezelstenen op de bodem om de fles rechtop te houden. Meet aan het eind van een regenachtige dag de regen die je hebt opgevangen door het water in een maatbeker te gieten. Luchtvervuiling Vul de bak met water en zet hem twee dagen buiten. Doe het koffiefilter in de houder en giet de bak met water erdoor. Wat is erin blijven steken? Probeer dit ook eens met sneeuw!
Wat heb ik geleerd: