Waarom zijn er wolken op verschillende hoogtes in de atmosfeer?

Hoe vormen wolken zich?

Om die vraag te beantwoorden, is het goed om eerst te onderzoeken hoe wolken überhaupt ontstaan. Daarvoor zijn uiteindelijk twee processen verantwoordelijk. Het eerste proces, en tegelijkertijd de meest voor de hand liggende, is de afkoeling van warme, vochtige lucht. Warme lucht stijgt namelijk op, omdat het lichter is dan de omringende lucht. Terwijl de warme lucht opstijgt, komt die alsmaar in een omgeving terecht met een lagere luchtdruk dan voorheen, waardoor de warme lucht de kans heeft om uit te zetten en op die manier afkoelt. Dit noemen we ook wel adiabatische afkoeling. 

Het proces achter adiabatische afkoeling. Door een afname van de luchtdruk met hoogte, zet de opstijgende lucht uit. Het gevolg is dat die afkoelt totdat deze het dauwpunt heeft bereikt. Het dauwpunt is de temperatuur waarop de lucht volledig verzadigd is (bron: NOAA).

Deze afkoeling zet door totdat de lucht uiteindelijk het punt bereikt waarop deze volledig verzadigd raakt. Vanaf dit moment kunnen er waterdruppeltjes of ijskristallen ontstaan. Dit gaat alleen niet vanzelf, omdat watermoleculen heel lastig bindingen met elkaar kunnen aangaan. Daarvoor hebben ze aerosolen nodig: kleine deeltjes zoals stof, zeezout of rook die watermoleculen aantrekken. Wanneer de lucht dus geheel verzadigd is geraakt door afkoeling en aerosolen in de buurt zijn, dan hechten de watermoleculen in de lucht zich aan de aerosolen en vormen zich waterdruppels. De hoogte waarop voor het eerst waterdruppeltjes zich kunnen vormen is dan ook waar de onderkant van de wolk zich bevindt.

Wolkenclassificatie op basis van hoogte

Het verhaal hierboven lijkt echter te zeggen dat er maar één hoogte is waarop wolken vormen, maar niets is minder waar. Sterker nog: we kunnen juist verschillende soorten wolken van elkaar onderscheiden op basis van de hoogte waarop ze voorkomen. Wolken worden dan ook traditioneel ingedeeld in drie verschillende etages:

1. Hoge bewolking. Dit bevindt zich grofweg tussen vijf en dertien kilometer hoogte, waar het enorm koud is en de wolken dus vrijwel alleen maar uit ijskristallen bestaan. Je zou ze onder andere kunnen herkennen aan de veerachtige vorm die de wolken kunnen aannemen.
2. Middelbare bewolking. Dit type bewolking vind je terug tussen twee en zeven kilometer hoogte, waar het over het algemeen al iets warmer is. Deze wolken bestaan dan ook uit een mix van ijskristallen, vloeibare waterdruppels en soms zelfs onderkoelde waterdruppels. Tot deze etage behoren onder andere de welbekende schapenwolkjes.
3. Lage bewolking, terug te vinden tussen het oppervlak en twee kilometer hoogte. Hier is het warm, waardoor lage bewolking met name bestaat uit vloeibare waterdruppels. Vaak is dit type bewolking een structuurloze, grijze massa die zich dicht bij het oppervlak bevindt.

Hier zie je voorbeelden van hoge bewolking (links, cirrus), middelbare bewolking (midden, schapenwolken) en lage bewolking (rechts, nimbostratus) (bron: NOAA).

Maar waarom vorming op verschillende hoogtes?

Dat wolken zich op verschillende hoogtes kunnen vormen, heeft alles te maken met het temperatuurverloop in de atmosfeer, met name de troposfeer. Over het algemeen neemt de temperatuur namelijk af met hoogte, wat we met een mondvol het omgevingstemperatuurverloop noemen. Dit geldt dus voor de lucht die niet opstijgt en bepaalt in grote mate de hoogte waarop de onderkant van de wolk wordt gevormd.

Maar de lucht kan uiteraard ook opstijgen. De opstijgende lucht koelt dan af volgens het adiabatische temperatuurverloop, dat voor droge lucht rond 9,8 ℃ per kilometer ligt en bij afkoeling langzaam naar een waarde tussen de 5 en 7 ℃ per kilometer kruipt. Waar het adiabatische temperatuurverloop en het omgevingstemperatuurverloop elkaar snijden, vind je de exacte hoogte van de onderkant van de wolk.

Nu kunnen hoge, middelbare en lage bewolking tegelijkertijd ontstaan doordat verschillende luchtsoorten boven elkaar kunnen bestaan. Neem bijvoorbeeld een warmtefront. Daarbij verdrijft warme lucht de koudere lucht, waardoor er een “schans” ontstaat waarover de warme lucht over de koudere lucht glijdt. Helemaal bovenaan de schans ontstaat dan de hoge bewolking, halverwege ontstaat de middelbare bewolking en onderaan natuurlijk de lage bewolking.

Tot slot bestaat er nog een laatste type wolk dat alle hoogtes omvat, namelijk de stapelwolk. Omdat de atmosfeer onstabiel is door een groot temperatuurverschil met hoogte, kan de lucht namelijk snel opstijgen en een grote wolkentoren bouwen. Hierbij koelt de omgevingslucht met de hoogte veel sneller af dan de opstijgende lucht.

In een stabiele atmosfeer is de situatie precies omgekeerd en wordt de verticale luchtbeweging aan banden gelegd. De wolk zal zich dan horizontaal uitbreiden. De volgende keer dat je uit het vliegtuigraam kijkt en wolken op verschillende hoogtes ziet, weet dan dat je letterlijk door temperatuurgrenzen in de atmosfeer reist.