Een wolk is niets anders dan een enorme verzameling zwevende waterdruppeltjes of ijskristallen, zo klein dat ze nauwelijks vallen. Of er uit die wolk ook regen komt, hangt af van twee dingen: hoe dik de wolk is en of er een mechanisme is dat de piepkleine wolkendruppels laat uitgroeien tot echte regendruppels. Hieronder eerst hoe een wolk ontstaat, dan de tien wolkengeslachten met hun neerslag, en daarna hoe neerslag precies ontstaat.
Hoe ontstaat een wolk?
Lucht bevat altijd onzichtbare waterdamp. Hoeveel waterdamp lucht maximaal kan bevatten, hangt sterk af van de temperatuur: warme lucht kan veel meer vocht bevatten dan koude. Koelt lucht af, dan raakt ze op een gegeven moment verzadigd. Bij verdere afkoeling gaat de overtollige waterdamp over in vloeibaar water: condensatie. Dat is dezelfde faseovergang als bij een beslagen spiegel in de badkamer.
| Temperatuur | Max. waterdamp (g/m³) |
|---|---|
| −10 °C | 2,1 |
| 0 °C | 4,8 |
| 10 °C | 9,4 |
| 20 °C | 17,3 |
| 30 °C | 30,4 |
De relatieve luchtvochtigheid is de werkelijke hoeveelheid waterdamp gedeeld door het maximum bij die temperatuur. Het dauwpunt is de temperatuur waarbij de lucht precies verzadigd raakt als je haar afkoelt zonder vocht toe te voegen of weg te nemen.
Rekenvoorbeeld. Lucht van 20 °C bevat 9,4 g waterdamp per m³. De relatieve vochtigheid is 9,4 / 17,3 ≈ 0,54, dus 54 %. Koel je deze lucht af, dan is ze bij 10 °C verzadigd (daar is het maximum 9,4 g/m³): het dauwpunt is 10 °C. Koelt de lucht verder af tot 0 °C, dan kan ze nog maar 4,8 g/m³ bevatten en condenseert 9,4 − 4,8 = 4,6 g water per kubieke meter.
Condensatiekernen
Waterdamp condenseert in de vrije lucht vrijwel nooit uit zichzelf. Er zijn kleine deeltjes nodig waarop het water kan neerslaan: condensatiekernen van zeezout, stof, roet of zwavelverbindingen, meestal kleiner dan een duizendste millimeter. Zonder die kernen kan lucht ‘oververzadigd’ raken. Rond elke kern groeit een wolkendruppel van ongeveer 0,01 mm (10 µm) doorsnede. Zulke druppels vallen met een paar centimeter per seconde; de kleinste opwaartse luchtbeweging houdt ze al omhoog.
Waarom lucht afkoelt: opstijgen
De belangrijkste manier waarop lucht afkoelt tot het dauwpunt, is door op te stijgen. Hogerop is de luchtdruk lager, waardoor een opstijgend luchtpakket uitzet. Bij uitzetten levert het gas arbeid en daalt de temperatuur, zonder dat er warmte wordt afgestaan (adiabatische afkoeling, zie de eerste hoofdwet). Onverzadigde lucht koelt zo ongeveer 1 °C per 100 m af. Zodra er condensatie optreedt, komt condensatiewarmte vrij en wordt de afkoeling ongeveer 0,5–0,6 °C per 100 m.
Omdat het dauwpunt in een stijgend pakket zelf ook iets daalt (ongeveer 0,2 °C per 100 m), naderen temperatuur en dauwpunt elkaar met ongeveer 0,8 °C per 100 m. Daaruit volgt een handige vuistregel voor de hoogte van de wolkenbasis:
- h
- hoogte van de wolkenbasis boven de grond, in m
- T
- luchttemperatuur aan de grond, in °C
- Td
- dauwpunt aan de grond, in °C
Op een zomerdag met 24 °C en een dauwpunt van 14 °C liggen de stapelwolken dus rond 125 × 10 = 1 250 m. Op een vochtige herfstdag met 12 °C en dauwpunt 11 °C hangt het wolkendek op zo’n 125 m, of ligt er mist.
Lucht kan op vier manieren gaan stijgen:
- Convectie (thermiek): de zon verwarmt de grond, warme luchtbellen stijgen op. Zo ontstaan de stapelwolken van een zomermiddag.
- Frontale opheffing: bij een warmtefront schuift warme lucht langzaam over koudere lucht omhoog (uitgestrekte gelaagde bewolking); bij een koufront duwt koude lucht de warme lucht steil omhoog (buien).
- Orografische opheffing (stuwing): wind duwt lucht tegen een gebergte omhoog. Aan de loefzijde regent het veel, aan de lijzijde daalt de lucht, warmt op en is het droog (föhn).
- Convergentie: lucht stroomt naar een lagedrukgebied en kan alleen omhoog weg (zie wind en luchtdruk).
De tien wolkengeslachten
De Wereld Meteorologische Organisatie (WMO) deelt wolken in tien geslachten in, op basis van hun vorm en hoogte. De Latijnse stammen vertellen al veel: cirrus = haarlok (vezelig), cumulus = hoop (stapelwolk), stratus = laag (gelaagd), nimbus = regenwolk, alto = middelhoog.
| Geslacht (afk.) | Etage / hoogte basis | Uiterlijk | Neerslag aan de grond |
|---|---|---|---|
| Cirrus (Ci) | hoog, 5–13 km | witte vezels, ‘windveren’, van ijs | geen |
| Cirrocumulus (Cc) | hoog, 5–13 km | kleine witte vlokjes, ‘schapenwolkjes’ | geen |
| Cirrostratus (Cs) | hoog, 5–13 km | dunne melkwitte sluier, kring om de zon (halo) | geen |
| Altocumulus (Ac) | middel, 2–7 km | grijswitte bolletjes of rollen in rijen | meestal geen; soms virga |
| Altostratus (As) | middel, 2–7 km | grijze egale laag, zon als ‘door matglas’ | lichte, aanhoudende regen of sneeuw |
| Nimbostratus (Ns) | middel (basis vaak < 2 km, tot 3–5 km dik) | donkergrijze, vormloze laag | langdurige regen of sneeuw |
| Stratocumulus (Sc) | laag, 0,5–2 km | grijze schollen of rollen met openingen | soms lichte motregen |
| Stratus (St) | laag, 0–0,5 km | grauwe egale laag, ‘hoge mist’ | motregen, motsneeuw |
| Cumulus (Cu) | laag, 0,5–2 km (top kan hoger) | witte bloemkolen met vlakke basis | mooi-weercumulus geen; hoog uitgegroeide (congestus) korte buien |
| Cumulonimbus (Cb) | basis laag, top tot 12–16 km | torenhoge wolk met aambeeld | zware buien, hagel, onweer, valwinden |
Het antwoord op de vraag ‘uit welke wolken valt regen?’ is dus: de echte regenwolken zijn nimbostratus en cumulonimbus. Nimbostratus geeft rustige, urenlange regen over een groot gebied; cumulonimbus geeft korte, heftige buien met grote druppels, vaak met windstoten en onweer. Daarnaast vallen er lichte regen uit dikke altostratus, motregen uit stratus en stratocumulus en een bui uit een flink uitgegroeide cumulus congestus.
Hoge wolken bestaan uit ijskristallen. Uit cirrus vallen wel kristallen (je ziet dan ‘valstrepen’), maar die verdampen ver boven de grond. Neerslag die de grond niet haalt heet virga.
Wolken als weersvoorspellers
Het verloop van de bewolking verraadt vaak een naderend warmtefront: eerst cirrus, dan een sluier van cirrostratus (met halo), daarna altostratus waardoor de zon steeds vager wordt, en ten slotte nimbostratus met regen. Tussen de eerste cirrus en de regen zit vaak 12 tot 24 uur. Bij een koufront gaat het sneller: een rij cumulonimbuswolken met buien en windstoten, daarna opklaringen met losse stapelwolken. Mist is overigens gewoon een stratuswolk die op de grond ligt (zicht minder dan 1 km).
Van wolkendruppel tot regendruppel
Een regendruppel heeft een doorsnede van ongeveer 1–2 mm, een wolkendruppel ongeveer 0,01 mm. De straal verschilt een factor 100 à 200, het volume dus een factor 10⁶ tot 10⁷: voor één regendruppel zijn ongeveer een miljoen wolkendruppels nodig. Gewone condensatie gaat veel te traag om dat in een uur te bereiken. Er zijn twee processen die het wél snel genoeg doen.
Het Bergeron-proces (via ijs)
In wolken met temperaturen onder 0 °C bevriezen de druppeltjes niet meteen. Tussen 0 en ongeveer −40 °C kunnen ze vloeibaar blijven: onderkoeld water. Zo’n wolk is een mengsel van veel onderkoelde druppels en een paar ijskristallen, die ontstaan op zeldzame ijskernen (bepaalde kleimineralen, bacteriën). Het Bergeron-proces (ook Wegener-Bergeron-Findeisen-proces) draait om één natuurkundig verschil:
- De verzadigingsdampdruk boven ijs is lager dan boven onderkoeld water bij dezelfde temperatuur. Watermoleculen zitten in het ijsrooster steviger vast en ontsnappen minder makkelijk.
- Lucht die precies verzadigd is ten opzichte van de waterdruppels, is daardoor oververzadigd ten opzichte van het ijs.
- Waterdamp slaat dus neer op de ijskristallen, terwijl de druppels verdampen om het tekort aan te vullen. De kristallen groeien ten koste van de druppels.
Het effect is het sterkst rond −10 tot −20 °C. Binnen enkele minuten worden de kristallen zwaar genoeg om te vallen. Onderweg botsen ze met druppels die op hen bevriezen (aanvriezen, wat korrelhagel geeft) of klitten ze samen tot sneeuwvlokken. Vallen ze lager door lucht van boven 0 °C, dan smelten ze en bereiken ze de grond als regen. In Nederland en België begint bijna alle regen als sneeuw hoog in de wolk.
Botsing en samensmelting (warme regen)
In tropische wolken die helemaal boven 0 °C blijven, ontstaat regen zonder ijs. Een paar grotere druppels (bijvoorbeeld rond grote zoutkernen) vallen iets sneller, botsen met kleinere druppels en smelten ermee samen. Hoe groter de druppel, hoe sneller hij valt en hoe meer hij ‘opveegt’. Dit heet het coalescentieproces. Ook motregen uit stratus ontstaat zo.
Soorten neerslag
Welke vorm de neerslag heeft als hij de grond bereikt, hangt af van het temperatuurprofiel onder de wolk en van de wolkensoort.
| Type | Kenmerk | Typische wolk / situatie |
|---|---|---|
| Regen | druppels ≥ 0,5 mm | nimbostratus, cumulonimbus, altostratus |
| Motregen | zeer fijne druppels < 0,5 mm, dicht opeen | stratus, stratocumulus |
| Sneeuw | ijskristallen, vaak samengeklit tot vlokken | nimbostratus, buien; hele luchtkolom rond of onder 0 °C |
| Natte sneeuw | gedeeltelijk gesmolten sneeuw | vriesniveau vlak boven de grond |
| Korrelhagel | witte, zachte korrels < 5 mm (aangevroren kristallen) | winterse buien, cumulonimbus |
| Hagel | harde ijsbolletjes ≥ 5 mm, met schillen | cumulonimbus met sterke opwaartse stroming |
| IJzel | onderkoelde regen die bij aanraking bevriest | warme laag boven een koude laag aan de grond |
Hagel ontstaat alleen in cumulonimbus, omdat daar opwaartse stromingen van tientallen meters per seconde voorkomen. Een ijskorrel wordt steeds opnieuw omhooggeblazen door een zone met onderkoeld water en krijgt telkens een nieuwe ijslaag, als de schillen van een ui. Hoe sterker de opwaartse stroming, hoe groter de hagelsteen kan worden voordat hij valt.
IJzel is gevaarlijk omdat de regen als vloeibaar water valt maar op de koude weg of op takken direct bevriest tot een glasachtig laagje. Dauw en rijp horen er niet bij: die vallen niet uit een wolk, maar ontstaan door condensatie of rijpvorming direct op een koud oppervlak.
Neerslag wordt gemeten in millimeter: 1 mm neerslag betekent 1 liter water per vierkante meter. In Nederland valt gemiddeld ongeveer 850 mm per jaar, verdeeld over vele dagen met lichte regen. Een zware zomerse onweersbui kan in een uur 20 tot 50 mm geven. Neerslag is de stap in de waterkringloop waarbij het water dat uit de oceaan verdampte weer terugkeert naar de aarde.
Veelgestelde vragen
Uit welke wolken valt regen?
Vooral uit nimbostratus (urenlange, rustige regen) en cumulonimbus (korte, zware buien met hagel en onweer). Lichte regen kan uit dikke altostratus vallen, motregen uit stratus en stratocumulus, en een korte bui uit een hoog uitgegroeide cumulus. Hoge wolken zoals cirrus geven geen neerslag die de grond bereikt.
Hoe ontstaat een wolk?
Vochtige lucht stijgt op, zet uit en koelt af. Als de temperatuur het dauwpunt bereikt, condenseert de waterdamp op kleine stofdeeltjes, de condensatiekernen. Zo ontstaan miljarden druppeltjes van ongeveer 0,01 mm die samen een wolk vormen.
Wat is het dauwpunt?
Het dauwpunt is de temperatuur waarbij lucht verzadigd raakt met waterdamp als je haar afkoelt. Daalt de temperatuur verder, dan condenseert er water en ontstaan dauw, mist of wolken. Hoe kleiner het verschil tussen temperatuur en dauwpunt, hoe vochtiger de lucht.
Wat is het Bergeron-proces?
Het Bergeron-proces is de manier waarop in gemengde wolken onder 0 °C neerslag ontstaat. Omdat de verzadigingsdampdruk boven ijs lager is dan boven onderkoeld water, groeien ijskristallen ten koste van de waterdruppels. De kristallen worden zwaar, vallen als sneeuw en smelten lager vaak tot regen.
Welke tien wolkengeslachten zijn er?
Hoge wolken: cirrus, cirrocumulus en cirrostratus. Middelhoge wolken: altocumulus, altostratus en nimbostratus. Lage wolken: stratocumulus en stratus. Wolken met verticale opbouw: cumulus en cumulonimbus.
Wat is het verschil tussen regen en motregen?
Motregen bestaat uit zeer fijne druppels kleiner dan 0,5 mm die dicht op elkaar vallen, meestal uit een lage stratuslaag. Regendruppels zijn 0,5 mm of groter en komen uit dikkere wolken zoals nimbostratus en cumulonimbus.
Waarom regent het niet uit elke wolk?
Een gewone wolkendruppel is zo klein dat hij door de kleinste opwaartse luchtbeweging omhoog wordt gehouden. Voor één regendruppel zijn ongeveer een miljoen wolkendruppels nodig. Dat lukt alleen in dikke wolken, via het Bergeron-proces of door botsen en samensmelten van druppels.