Meteorologen hebben de dwarrelende dans van sneeuwvlokken bestudeerd. Dat deden ze om neerslagvoorspellingen te verbeteren.
Het is een idyllisch beeld: sneeuwvlokjes die op een windstille winterdag naar beneden dwarrelen. Als je weleens tijdens een sneeuwbui uit het raam hebt gekeken, dan weet je misschien dat er verschillende ijskristalvormen bestaan. Die dansen ook op verschillende manieren door de lucht. Sommige schommelen zigzaggend heen en weer. Andere buitelen pirouettes draaiend naar beneden.
Dit schouwspel is niet alleen mooi om naar te kijken, het is ook interessant voor meteorologen die hun neerslagvoorspellingen willen verbeteren. Daarom hebben Engelse onderzoekers verschillende soorten namaaksneeuwvlokken ge-3D-print en in het lab onderzocht hoe ze naar beneden dwarrelen. Hun resultaten verschenen in het wetenschappelijk vakblad Atmospheric Chemistry and Physics.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Biljoenen spiegeltjes
De dans van sneeuwvlokken is relevant voor neerslagvoorspellingen, omdat bijna alle neerslag begint als ijs in de wolken. De meeste regendruppels waren ooit ijskristallen die onderweg naar beneden zijn gesmolten. Om te weten welke neerslag er uit een wolk gaat vallen, moet je dus weten wat de samenstelling is van een wolk, en wat erin gebeurt.
Om die informatie te achterhalen, gebruiken onderzoekers satellietwaarnemingen en radarmetingen – waarbij ze radiogolven uitzenden die op de wolken weerkaatsen. Hoe licht en radiogolven reflecteren, hangt af van de oriëntatie, grootte en dichtheid van ijskristallen en waterdruppels in de wolk, zegt meteoroloog Jennifer Stout van de Universiteit van Reading. ‘Op basis van het reflectievermogen doen we aannames over wat er in de wolk zit. We denken bijvoorbeeld dat een helderdere, meer reflecterende wolk meer ijskristallen bevat.’
Hoe ijskristallen licht weerkaatsen, wordt bepaald door hun oriëntatie. Stout: ‘Ze gedragen zich als biljoenen kleine spiegeltjes.’ Door beter te begrijpen hoe sneeuwvlokken in wolken – en onderweg naar beneden – bewegen, krijgen de onderzoeker een beter beeld van hun oriëntatie en de snelheid waarmee ze groeien, vallen en neerslaan. En dat leidt tot betere schattingen van wat zich precies afspeelt in wolken, en uiteindelijk tot betere neerslagvoorspellingen.
3D-geprinte sneeuwvlokken
Voor hun onderzoek gebruikten de Stout en haar collega’s 3D-geprinte sneeuwvlokken van plastic. De namaaksneeuwvlokken waren groter dan echte en hun vormen liepen uiteen van eenvoudige zeshoekige plaatjes, tot de klassieke sneeuwvlokvorm met meerdere vertakkingen (zogeheten dendrieten). De meteorologen kozen voor namaaksneeuwvlokken om dat echte ijskristallen klein en kwetsbaar zijn en snel smelten, wat onderzoek lastig maakt.
De onderzoekers lieten de namaakijskristallen vallen in een tank gevuld met een mengsel van water en glycerine, om de eigenschappen in de atmosfeer na te bootsen. Hogesnelheidscamera’s legden de afdaling vast.
De sneeuwvlokken bleken op vier verschillende manieren te vallen: stabiel (recht naar beneden), zigzaggend (heen en weer slingerend), spiraalvormig (draaiend terwijl ze vallen) en een mix van zigzaggend en draaiend. ‘We hadden nog een soort beweging verwacht bij de ijskristallen: tuimelen’, zegt Stout. Daarom herhaalden ze het experiment in lucht, in plaats van een vloeistof. ‘Daarin zien we ze wel tuimelend vallen.’
Betere schattingen
Uit het onderzoek bleek dat ijskristallen met complexere vormen, dus met meer dendrieten, stabieler vallen dan de eenvoudigere vormen. Tot hun verrassing zagen de onderzoekers bovendien dat de onstabiel vallende ijskristallen meestal onder een hoek naar beneden te vallen. Voorheen werd aangenomen dat ze het grootste deel van hun tijd horizontaal doorbrengen.
‘Kijken hoe sneeuwvlokken dwarrelen, klinkt misschien simpel, maar weten hoe neerslag valt is belangrijk om onze radarobservaties nauwkeurig om te zetten naar neerslagschattingen’, zegt neerslagonderzoeker Linda Bogerd van de Universiteit van Maryland, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘En hoe beter je schattingen van het huidige moment zijn, hoe nauwkeuriger de voorspellingen worden.’
Dat de onderzoeker dit bestuderen met 3D-geprinte ijskristallen, noemt Bogerd innovatief. ‘Dit onderzoek toont mooi aan hoe verschillende wetenschappelijke disciplines elkaar aanvullen.’
