dinsdag 13 maart 2012

superhagel

Zware onweersbuien zijn een jaarlijks terugkerend fenomeen in de Lage landen met een piek van half mei tot midden augustus. Naast de donder en bliksem is het ook steeds uitkijken voor zware windstoten, overstromingen en ...vernietigende hagelstenen (Karim Hamid)

Contradictie

Hagel, we kennen het allemaal. Het zijn de ijsbolletjes die tijdens buien uit de lucht komen gevallen. Doorgaans onschuldig maar veelal toch opvallend aanwezig. In het voorjaar vallen ze vaak tijdens winterse buien en ze zijn zo talrijk dat er soms een waar hageltapijt wordt gevormd. Echter, de bollen zelf zijn klein en veelal zacht (in het engels 'soft hail' genoemd). De échte hagel valt enkel in de zomer tijdens felle onweersbuien. Het is bij dergelijke buien, bij warm weer, dat het uitkijken is voor gevaarlijk grote hagelstenen. Ook al klinkt de combinatie warm weer en hagel contradictorisch.

Stijg- en daalbewegingen

Het is helemaal niet toevallig dat grote hagelstenen vallen bij warme onstabiele zomersituaties en bij bijhorende zware onweersbuien. Maar om dat te begrijpen moeten we kort even kijken hoe deze 'onweers'hagel tot stand komt. Ze zijn altijd te koppelen aan een zgn. Cumulonimbuswolk, de klassieke onweerswolk welke verticaal sterk ontwikkeld is, in de zomer veelal zo'n 14 à 15 km hoog, waar het zo'n 50 tot 60 graden vriest, dit terwijl de basis van dezelfde wolk zich bevindt bij een temperatuur van soms wel 20 graden boven nul. Bij zo'n onweerswolk ontstaan er bijgevolg verticale luchtbewegingen, zowel omhoog als omlaag, eigen aan elke onweerswolk. Bij sommige van deze onweerswolken en in sommige omstandigheden worden de stijgbewegingen zo krachtig dat de neerslag in de wolk blijft hangen. Dit omdat de stijgbewegingen zo krachtig zijn dat ze de valsnelheid van de neerslagpartikels tegenwerken. Op den duur valt de neerslag toch en dit gaat dan meestal erg abrupt, vandaar de klassieke stortregen die we kennen. Bij sommige onweerswolken kunnen de stijgbewegingen oplopen tot meer dan 150 km/h!

Zeker bij onweerswolken die erg hoog uitgroeien, ontstaan in de wolk ook hagelstenen. Dit gebeurt vooral in een gebied waar de temperatuur schommelt van -20 tot pakweg -40°C. Hagel is niks anders dan een combinatie van ijskristallen met daarrond water. Immers, in het gebied rond -20°C bevindt zich onderkoeld water welke aanvriest wanneer het in contact komt met ijskristallen. Door de stijg- en daalbewegingen in de wolk komt zo'n embryonaal hagelsteentje steeds van warme regio's opnieuw in koude regio's waardoor er steeds een aangroei is van vers onderkoeld water tegen het oppervlak van de hagelsteen, waardoor de hagelsteen steeds verder aangroeit. Bij een voldoende sterke stijgstroom en in een gunstig circulatiepatroon bij de onweerswolk kan de hagelsteen uiteindelijk aangroeien tot een centimeters dikke hagelbol. Uiteindelijk valt de hagel uit de wolk naar de grond en smelt onderweg nog een deel, veelal zelfs volledig, zeker wanneer de basis van de wolk zich hoog bevindt en het zeer warm is beneden. Maar als dat niet gebeurt, vooral dus bij de grotere hagelbollen, dan bereikt deze hagelsteen ons als hagel.

In bovenstaande schets is het traject van de hagel zeer vereenvoudigd weergegeven. Een hagelbol kan dus meerdere malen op en neer gaan in een onweerswolk en zo sterk aangroeien voordat ze de wolk verlaat, dat is de essentie.

Het is belangrijk dat de zgn. voedende stijgstroom (de 'updraft') in de onweerswolk krachtig genoeg is. Hoe krachtiger, hoe gevaarlijker. De kracht van deze stijgstroom hang vooral af van de beschikbare energie aan de grond (vocht en warmte), maar ook van de heersende zgn. windschering in de atmosfeer. Wanneer de wind aan de grond verschillend is dan in de hoge luchtlagen, zowel wat betreft snelheid als richting, dan kan een onweerswolk extra krachtige stijgstromen ontwikkelen en in de meest extreme vormen ontstaat er zelfs een roterende stijgstroom, dit heten we dan een supercell. Zo'n supercell komt vooral voor in delen van de VS, maar ook bij ons komen ze elk jaar wel enkele keren voor.

Structuur van hagel

Uiteraard is niet elke hagelbui gelijk en is niet elke hagelbol gelijk van structuur. Niet enkel de grootte, het gewicht, maar ook de vorm en de interne structuur van een hagelsteen is zeer verschillend en hangt volledig samen met de geschiedenis van de vormende hagelbol in de wolk en het gevolgde traject. Aan de hand van de verschillende visuele factoren van een hagelsteen kunnen we immers enkele zaken leren. Zo is een klassieke hagelsteen veelal gebouwd uit een aaneenschakeling van heldere en ondoorzichtige lagen. Men refereert daarom vaak naar de lagenstructuur van een ui. De heldere transparante lagen komen overeen met de momenten dat de hagelsteen zich bevond in de minder koude gebieden van de wolk, alwaar onderkoeld water zich vastzette aan de bol en geleidelijk aan bevroor. De luchtdeeltjes in dat water hadden hierbij tijd genoeg om het water te verlaten en zo ontstond een helder laagje water zonder luchtbelletjes. In de koudere gebieden van de wolk, bovenaan dus, vriest het onderkoelde water veel sneller aan en heeft de lucht nauwelijks tijd om te ontsnappen waardoor de luchtbelletjes in de aanvriezende waterlaag blijven. Deze luchtbelletjes zorgen voor een opaak en melkachtig uitzicht. Onderstaande opname geeft een grote hagelsteen weer welke doormidden is gesneden zodat de interne structuur te zien is. Let op de afwisseling van heldere en opake lagen.

opname van de interne structuur van een grote hagelsteen op 25 mei 2009

Meestal is intern nog de embryonale fase van zo'n hagelsteen te herkennen, de 'graupel' zoals men dat noemt. Ook hier is deze te herkennen centraal in de hagelbol, in een ietwat driehoekvorm. Daarrond bevindt zich een eerder dikke transparante ijslaag waarna de echte lagenstructuur pas begint.

Een andere opname welke ik maakte is hieronder te zien, deze keer met tegenlicht. Dat wil zeggen dat heldere lagen lichtgrijs zijn en opake lagen donkergrijs. We zien centraal opnieuw de 'embryo' waarna een brede lagenstructuur aanvangt. Meer naar de buitenkant toe worden de lagen dunner en talrijker.opname met tegenlicht van de interne structuur van een grote hagelsteen op 25 mei 2009

Wie goed kijkt ziet trouwens dat verschillende van de donkere lagen zelf opnieuw zijn opgebouwd uit diverse afwisselende lagen, zoals hierboven duidelijk is te zien in een detailopname van dezelfde hagelsteen.

Een ander gelijkaardig voorbeeld is hiernaast te zien, met eveneens een goed te onderscheiden embryo, en eveneens de erg goed te onderscheiden afwisseling tussen transparante en opake ijslaagjes.

Wanneer we grote hagelstenen van de buitenkant bekijken zal men vaak zien dat de vorm alles behalve mooi rond is. De vorm lijkt vaak op een appel, zoals in onderstaande opname. Er is bovenaan en onderaan een deuk te herkennen, vandaar de gelijkenis. We moeten de verklaring hiervoor zoeken in het feit dat tijdens de val, zo'n hagelsteen een maximale luchtstroom zal ervaren loodrecht op de valrichting. Deze (warmere) luchstroom zal dan als het ware op die plaats voor een versneld smelteffect zorgen in vergelijking met de andere gebieden van de hagel. Er ontstaat dan op die manier een 'deuk'.

Verder opvallend is dat de meeste hagelbollen er uit zien alsof ze uit vele kleine steentjes zijn opgebouwd. Ook bij dit voorbeeld zien we een gelobde structuur aan de buitenkant. Maar in werkelijkheid is deze hagelbol helemaal niet opgebouwd uit verschillende bollen. Ook 'kleven' er geen kleinere hagelstenen aan de grotere bol. Nee, deze 'uitsteeksels' hebben zich gevormd tijdens het groeiproces. Het heeft te maken met de rondtollende eigenschap van een vallende hagelsteen waardoor steeds nieuwe delen van de vallende steeds een maximale toevoer van onderkoelde waterdruppeltjes zal ontvangen. Hierdoor ontstaat een onregelmatige groeistructuur. Daarbij komt dat, eens er plaatsen ontstaan met zo'n uitsteeksel, deze de gebieden er rond zullen afschermen voor aangroei waardoor het effect nog versterkt wordt. Meer hierover in een publicatie van Knight & Knight (1970).

Onregelmatige structuur

Hagelstenen kunnen erg vreemde structuren aannemen. Hierboven zagen we reeds enkele exemplaren, verzameld tijdens het zware onweer van 25 mei 2009. Maar nog onregelmatiger waren de stenen die verzameld werden tijdens een onweer op 23 november 2009. Extreem groot en zwaar waren de stenen toen niet maar ze vielen op door hun grillig karakter.

Hierboven zien we zo'n steen. Door hun onregelmatige structuur is het lastig een diameter op te geven, maar doorgaans was de maximale lengte in dit geval wel enkele centimeter lang. Let op de erg lange uitsteeksels van deze hagelstenen. In tegenstelling tot de grotere stenen waren deze exemplaren ook veel transparanter wat erop wijst dat het milieu waarin ze gevormd werden minder koud was.

Wanneer de hagelsteen doormidden wordt gesneden (wat trouwens niet eenvoudig is) zijn allerlei zaken te zien (rechts). Zo merken we in de kern van de uitsteeksels duidelijk radialen met ingesloten luchtbelletjes (a). De embryo is heel goed te herkennen als ondoorzichtig bol (b), wat wijst op de opbouw van de embryo, nl. vooral bestaande uit ijskristallen. Veelal is in de embryo ook een barst (zgn. 'crack') te zien, wat veroorzaakt wordt door te snelle opwarming waardoor de kern vaak barst (d).

Deze zaken zijn ook terug te vinden bij een andere onderzochte hagelsteen uit dezelfde bui (hieronder). De blauwe pijltjes geven hier mooi diverse extra-fijne laagjes weer en ook hier is de 'crack' in de embryonale regio duidelijk zichtbaar (rode pijl).

Dat een hagelsteen vrijwel altijd als een bol begint is erg goed te zien op onderstaande opname. Bovenaan zien we de puntvormige hagelsteen met een gewone foto-opname. De streepjes is de millimeter verdeling. Daaronder een opname met tegenlicht van deze doormidden gesneden steen. De embryo is meteen herkenbaar rechts in de hagelsteen als mooi rondvormige structuur. De diverse lagen zijn hier lastig te herkennen en de groei van de steen was alleszins erg onregelmatig met één duidelijke voorkeursrichting, nl. deze van de lange puntvorm.


Hierna een andere steen waarbij meteen opvalt hoe troebel deze is. Eénmaal doormidden gesneden wordt duidelijk waarom. Ingevangen zien we tal van grotere luchtbellen in de steen.

Een close-up van dezelfde steen, waarop de sferische embryo en de diverse smalle ijslaagjes eromheen goed te onderscheiden zijn. Ook de luchtbellen zijn erg goed te onderscheiden.

Hieronder tenslotte weer een ander voorbeeld van een geanalyseerde hagelsteen met eerder dikke ijslagen. Maar ook hier is deze onregelmatige hagelsteen begonnen als bolvormige en doorzichtig ijsklompje met dwars erdoor de kenmerkende 'crack'.

Historische hagelval in de Benelux

Zeer frequent worden de Lage Landen niet geteisterd door erg zware hagelbuien met veel schade. Maar zo af en toe gaat het goed fout. Zo bijvoorbeeld tijdens de doortocht van een nachtelijke supercell tijdens de nacht van 25 op 26 mei 2009. Op de RADAR was deze cel goed te zien met typische haakvorm (hieronder)...

Deze cel trok vanuit het noorden van Frankrijk via Henegouwen richting het Zeeland met onderweg een onderbroken sproor van extreem dikke hagelstenen. In het noorden van Frankrijk werden reeds diameters opgetekend tot 10 cm en over België was dit langsheen het traject nog vlot 4 tot 6 cm. Eénmaal over het noorden van Oost-Vlaanderen vielen opnieuw bollen tot ruim 9 cm. Enkele van de stenen zijn hieronder weergegeven, telkens maat een maatstaaf erbij. Let op het telkens onregelmatige oppervlak van de stenen waarover hierboven reeds is over bericht. De steen rechts is meteen ook de grootste steen ooit geregistreerd door het KMI in België met een diameter van 9.2 cm. Ter illustratie is bij deze hagelsteen op deze opname een muntstuk van 2 Euro geplaatst ter referentie

Supercell 25/05/2009 - 2350 UTC - bron radarbeeld: Belgocontrol/KMI

Een andere hagelsituatie werd opgetekend op 22 juni 2008 met stenen tot 5 cm.

Grappig is dat bij sommige van deze hagelstenen insecten gevangen zaten (hiernaast). Dit komt nog wel voor. Erg veel vliegjes en andere insecten worden immers opgenomen in de sterke instroom van een onweersbui en komen terecht in de onweerswolk waar de hagelstenen gevormd worden. Veel insecten worden dan ook letterlijk 'gevangen' in zo'n groeiende hagelsteen.




foto: Johan Effing

Ook op 8 juni 1998 werden in Nederland extreem grote hagelstenen waargenomen met een diameter tot 10 cm.

De grootste officieel geregistreerde hagelsteen ooit is deze van South-Dakota (VS) op 23 juli 2010. Deze steen had een diameter van maar liefst 20 cm met een gewicht van 880 gram (hiernaast)!

Meer opnames van de hagelstenen van 25/05/2009 en 23/11/2009 zijn in dit rapport te vinden.

1 opmerking: