BUIEN

Buien behoren tot de meest indrukwekkende weersverschijnselen die er bestaan. Dit komt omdat niet alleen de buienwolken op zich vaak al indrukwekkend kunnen zijn, maar ook gaan buien niet zelden gepaard met heftige weersverschijnselen. We denken hierbij niet alleen aan matige of zware neerslag in de vorm van bijv. regen of sneeuw, maar ook aan hagel, onweer en windstoten. Soms komen nabij buien ook windhozen of zelfs tornado's voor. In dit artikel zullen we enkele geheimen van buien blootleggen.

Voor het ontstaan van buien moet de atmosfeer ter plekke aan een aantal voorwaarden voldoen. De belangrijkste zijn onstabiliteit en voldoende water(damp) dus vocht. Een onstabiele atmosfeer zal een flink temperatuurverval met het toenemen van de hoogte laten zien. Zolang lucht nog onverzadigd is zal bij het spontaan of gedwongen opstijgen van de (warmere) lucht deze met 1 graad per 100 meter afkoelen. We noemen dit in vakjargon droogadiabatisch afkoelen. Bij een adiabtisch proces gaan we er vanuit dat er geen energieuitwisseling met de omgeving plaatsvindt. Normaal gesproken wordt het per 100 meter stijging gemiddeld 0,6 graden kouder. Zodra de waterdamp in de lucht gaat condenseren, spreken we van natte of vochtige lucht en zal door de vrijgekomen warmte tijdens condensatie de afkoeling afgeremd worden en daalt de temperatuur tussen 0,3 en 0,5 graden per 100 meter. Daalt de temperatuur nog minder snel of stijgt deze zelfs, dan spreekt men van stabiele lucht. Is het verval tussen de 0,6 en 0.9 graden dan noemen we dit voorwaardelijk onstabiel. Dit laatste is ideaal voor de vorming van buien.

Foto: Geisoleerde winterse bui, met een duidelijk verijsde top.

Hoe gaat dat dan in zijn werk? 
Wat we zien, is namelijk het volgende: is de lucht aan het aardoppervlak warm, en/of is de lucht hoger in de atmosfeer kouder geworden, dan zal een willekeurig pakketje lucht kunnen opstijgen, zolang het warmer blijft dan haar omgeving totdat het niet verder meer kan stijgen. Het best lukt dit dus in onstabiele lucht. In eerste instantie zien we daar als waarnemer niets van. Dat komt omdat de opstijgende lucht in eerste instantie niet verzadigd is. Deze onverzadigde lucht koelt af maar blijft - als het blijft stijgen - warmer dan de omgeving (vergelijk dat met een heteluchtballon: zolang de ballonvaarder zorgt dat de lucht in de ballon warmer blijft dan de omringende lucht, wint de ballon hoogte). De opstijgende lucht koelt af, maar de hoeveelheid vocht in het pakketje lucht neemt niet af. Echter, koudere lucht kan minder vocht kan bevatten dan warmere lucht. Zodoende bereikt het pakketje lucht op een gegeven moment haar maximale hoeveelheid waterdamp en raakt verzadigd (relatieve vochtigheid is dan 100%). Zodra dat het geval is, begint het ontstaan van de karakteristieke stapelwolken, die we wel cumulus (meervoud: cumuli) noemen. Het niveau waarop cumulus ontstaat is vaak scherp begrensd, vandaar dat de onderkant van een cumuluswolk veelal vlak is. Dankzij het opstijgen krijgt de wolk haar karakteristieke bloemkoolvorm. In een verder stadium kan zo'n cumuluswolk tot een buienwolk (cumulonimbus) uitgroeien.

We zijn er echter nog niet. Bevat de lucht vlak boven de aarde maar heel weinig vocht, dan zal het pas op zeer grote hoogte eventueel tot wolkenvorming komen en kan buienvorming zelfs achterwege blijven. We zien dit bijvoorbeeld boven woestijngebieden, waar de lucht gewoonlijk extreem droog is, maar er wel degelijk een groot verschil is tussen de temperatuur aan de grond en die in de hogere luchtlagen. Conclusie: we moeten naast onstabiliteit ook genoeg vocht in de lucht hebben.

De atmosfeer (we spreken hier verder van de troposfeer - de onderste laag van de atmosfeer, waar het weer zich afspeelt) is lang niet altijd tot op grote hoogte onstabiel. De troposfeer wordt aan de bovenzijde begrensd door de tropopauze. Deze bevindt zich nabij de polen op circa 8 km hoogte en nabij de equator op circa 16 km hoogte. Boven de tropopauze is de atmosfeer tijdelijk isotherm, dat wilt zeggen dat de temperatuur met de hoogte (vrijwel) gelijk blijft. Buien zullen daarboven daarom maar zelden boven het niveau van de tropopauze uit kunnen groeien. Alleen in het geval van zeer zware buien kunnen de buienwolken een stukje door de tropopauze heen breken. Vaak is de lucht alleen tot zekere hoogte onstabiel, bijvoorbeeld tot een hoogte van rond de 5 km. Een bui zal dan ook niet erg hoog reiken. In de winterperiode kan dat evengoed nog flinke buien opleveren. Zelfs korrelhagel en onweer kan dan met wolkentoppen van 15.000 tot 20.000 voet optreden.

Foto: Al snel komt een forse bui opzetten, valstrepen verraden hagel.

We kunnen overigens uitrekenen op welke hoogte de wolkenvorming gaat plaatsvinden. Dit doen we met behulp van de temperatuur en de dauwpuntstemperatuur. Als lucht door verschil in temperatuur opstijgt, noemen we dit convectie. We zagen al dat de hoeveelheid vocht in een bepaald pakketje lucht tijdens het opstijgen gelijk blijft. Het pakketje lucht zet echter uit, omdat de luchtdruk hoger in de atmosfeer afneemt. De dampdruk, en ook het dauwpunt neemt af. Theoretisch is af te leiden dat de dauwpuntstemperatuur van een opstijgend pakketje lucht 0,2 graden per 100 meter afneemt. De temperatuur en het dauwpunt komen dus elke 125 meter stijging een graad dichter bij elkaar. Bij een temperatuur van 8 graden en een dauwpunt van 3 graden zal de lucht op 625 meter hoogte dus verzadigd raken en zal de vorming van convectieve cumulusbewolking op gang gaan komen. Op 625 meter ligt dus de basis van de cumulus. De formule luidt: (T-Td) * 125 (in meters) of T-Td * 400 (in voeten). 

Bij condensatie van de waterdamp in de lucht komt zoals gezegd warmte vrij. Hierdoor zal de lucht tijdens het opstijgingsproces niet meer zo snel afkoelen, als dat ze droogadiabatisch deed. Verzadigde lucht maakt een nat-adiabatisch proces door; de temperatuur daalt met 0,3 tot 0,5 graad per 100 meter. Zo lang de bovenkant van de wolk dus warmer blijft dan de omringende lucht zal de wolk blijven doorgroeien. Hoe ver dat proces doorgaat, kunnen we zien aan de zogenaamde toestandskromme, die we vinden in het zogeheten temp-diagram. In dit diagram zien we hoe het verloop van de temperatuur en het dauwpunt van de lucht boven een bepaalde plaats is, zodat hieruit de luchtvochtigheid maar ook eventuele inversies kunnen worden opgespoord. Verder zien we ook de hoogte van de tropopauze en ook gegevens over de wind terug. Zodra op een zeker niveau een inversie of een andere stabiele luchtlaag wordt bereikt, zal het groeien van de wolk stoppen. De top van de wolk zal zich dan gaan uitspreiden en bij grote buienwolken zien we dit vaak in de vorm van een aambeeld. Vaak komt het niet zo ver en zeker als de atmosfeer stabiliseert, zoals bijvoorbeeld tijdens de onwikkeling van een hogedrukgebied of een rug van hoge luchtdruk, zien we slechts schapewolken of cumuluswolken, die op gegeven moment afvlakken en zelfs lensvormig kunnen worden. Zien we de cumuluswolken echter in een hoog tempo optorenen, dan is de kans op vorming van buienwolken groot. We zien dit in weerberichten wel aangegeven worden met "towering cumulus", of cumulus congestus. Op de foto hierboven zien we een kleine bui, gezien vanuit een trein.

Wanneer wordt het nu een bui?
Een flinke cumuluswolk op zich zal, ondanks de als gevolg van schaduwwerking soms indrukwekkend donkere kleur, geen neerslag produceren. Dit gebeurt pas zodra de top van de wolk een zekere temperatuur heeft bereikt, dus voldoende is door gestegen. Zodra de wolk geheel of gedeeltelijk tot onder het vriespunt is afgekoeld, zal er nog maar weinig neerslagvorming kunnenoptreden. De wolk is dan in de top onderkoeld. Is de temperatuur gedaald tot circa -12 graden, dan begint zich meestal het eerste ijs te vormen. We noemen dit het ijskiemniveau. Het is niet zo dat er neerslag ontstaat door samenvoeging van zeer kleine wolkendruppeltjes. Bevat de wolk ijs, dan zal het neerslagproces makkelijker op gang komen door het feit dat tussen ijs en onderkoeld water een wezenlijk verschil in dampdruk heerst. Ook industrievuil in de wolk kan de neerslagvorming bevorderen, als gevolg van wateraantrekkende (hygroscopsiche) eigenschappen. 

Foto: Als de zon onder de bui door schijnt en er valt regen, levert dat niet zelden de aanblik van een regenboog op.

Het Wegener-Bergeron proces
Deze twee meteorologen hebben de neerslagtheorie ontwikkeld. IJswolken en waterwolken produceren afzonderlijk weinig neerslag. Neerslag ontstaat voornamelijk in zogeheten gemengde wolken, die uit ijs en (onderkoeld) water bestaan. De temperatuur van de gemengde zone ligt vaak tussen de -10 en -20 graden. Beneden de circa -23 graden zullen er in de wolk overigens meestal alleen maar ijskristallen voorkomen. Het proces berust op het feit dat de maximale dampdruk boven onderkoeld water groter is dan die boven ijs. Hierdoor zal een waterdamptransport plaatsvinden van de druppels naar ijskristallen, zodat deze laatste zullen aangroeien. Het verschil in dampdruk is maximaal bij een temperatuur van -13 graden, zodat bij die temperatuur het zogeheten Wegener-Bergeron proces het snelst gaat. De ijskristallen worden groter en zullen op hun weg naar beneden steeds meer onderkoelde druppels gaan invangen en steeds sneller groeien. Het gewicht wordt groter zodat ook de samengeklonterde ijs- en waterelementen (sneeuw) langzaam zullen gaan vallen. Dit kan enorm snel gaan. Een onschuldige cumuluswolk kan in een kwartier tijd tot een flinke bui zijn uitgegroeid, zodra de top is verijsd. We zien het aan de grond aan het feit dat de wolkentop een vezelstructuur gaat aannemen, die binnen korte tijd tot een aambeeld kan uitgroeien.
Wanneer de elementen zwaar genoeg zijn, zal de neerslag gaan vallen. Dat kan resulteren in grote regendruppels, soms ook in hagel en in de periode oktober - mei ook in korrelhagel en (korrel)sneeuw. Het type neerslag hangt af van de hoogte van het vorstniveau dat tijdens een bui 500 tot 1000 voet (150-300 meter) kan zakken. Met een 0 gradenniveau van 1000 voet of minder valt er meestal sneeuw. Ligt het 0 gradenniveau voor en na de bui op 1500 tot 2000 voet dan is er een reële kans op smeltende sneeuw.

Hagel en turbulentie
Zeker tijdens de zomermaanden kan er in een buienwolk een zeer sterke stijgstroom optreden, zodat de wolk zich snel in verticale richting ontwikkelt. Dit gaat niet regelmatig, zodat in de buienwolk luchtwervelingen, of turbulentie kan ontstaan. Neerslagelementen worden als het ware met geweld door de wolk gestuurd, vallen, komen elders weer in een stijgstroom terecht, worden weer omhoog gevoerd, worden zwaarder, vallen en kunnen op deze manier steeds groter worden. Op deze manier onstaat hagel, waarbij zich in zomerse onweersbuien grote stenen kunnen wormen. Ook kan onweer voorkomen. Als de hagelstenen zo zwaar zijn dat ze niet meer omhoog gevoerd kunnen worden, vallen ze. Tijdens hun val smelten ze deels, waarbij de omringende lucht sterk kan afkoelen, mede als gevolg van vallende regen en/of smeltende sneeuw. Aan de voorzijde van de bui, waar juist sterke stijgstromen optreden, waardoor de luchtdruk aan de grond daalt, kan de koude lucht, met de neerslag met geweld het aardoppervlak bereiken. Dit zien we dan in de vorm van zoms zeer zware windstoten. In de nabijheid van een bui kunnen we soms op enige afstand van de bui al een kille wind voelen, als we de zogenoemde "outflow", uitstroom van koude lucht, waarnemen.
Tijdens een zomerse onweersbui kan aldus de temperatuur wel met 10 graden in slechts enkele minuten dalen.
We zien het naderen van de neerslag aan een loodgrijze, egale lucht, terwijl er boven de waarnemer vaak een onrustige kolkende lucht te zien is, waarbij bij zware buien wel mammatus- of buidelwolken worden gezien.

Neerslaghoeveelheid en intensiteit
De neerslag uit buien is gewoonlijk slechts van korte duur en wisselend van intensiteit. Bij gelijkmatige neerslag spreekt men niet van buien. De intensiteit kan enorm hoog zijn. In Nederland zijn gedurende enkele minuten neerslagintensiteiten van 4 mm/minuut gemeten, terwijl tijdens zomerse onweersbuien een intensiteit van 1,5 tot 2,5 mm per minuut gedurende vijf tot 10 minuten niet uitzonderlijk is. De zomerse buien kunnen in Nederland reiken tot circa 12 km, de hoogte van de tropopauze boven ons land. Soms steken ze er wat doorheen, zodat in uitzonderlijke gevallen wel buientoppen tot 14 km zijn gemeten. Deze wolkentorens kunnen enorme neerslaghoeveelheden produceren, waarbij soms meer dan 100 mm water naar beneden kan komen en hagelstenen tot vier of vijf centimeter. Begin juni 1998 werden op de noordwestelijke Veluwe (in de omgeving van 't Harde en Nunspeet) hagelstenen tot 8,9 cm in doorsnede waargenomen.
Vaak houdt de regen tijdens buien even plotseling op als ze begon, al zal veel buienneerslag vrij geleidelijk in intensiteit afnemen. Vaak gaat dan ook al snel weer de zon schijnen. Heel af en toe is de begrenzing van de neerslag zo scherp dat deze precies over een straat loopt. Ook kan het op een plek droog blijven, terwijl het een paar kilometer verderop pijpenstelen regent en er tientallen millimeters neerslag kan neerkomen.

Uitstervende buien
Zo kunnen buien zich ontwikkelen, zo sterven buien ook uit. Dit gebeurt, zodra niet meer aan de voorwaarden wordt voldaan voor ontwikkeling van buien, met name wanneer de voedingsstroom van warme opstijgende lucht stagneert. Dit is het geval wanneer als gevolg van de dagelijkse gang de temperatuur 's avonds aan het aardoppervlak daalt. Vlak boven de grond vormt zich dan een grondinversie, een laagje stabiele lucht. Aan zee koelt het in de winter minder snel af dan in het binnenland, zodat de buienactiviteit in het binnenland verdwijnt, terwijl deze aan zee gewoon doorgaat. Bekend zijn de soms tamelijk actieve onweersbuien aan zee, die soms tot ver in het binnenland met hun weerlicht zichtbaar zijn. Op de foto links zien we een laatste bui van de dag, die wegtrekt en al snel zal zijn verdwenen. Het zal opklaren. Let op de felblauwe kleur van de hemel.

In het voorjaar zien we juist dat buien vooral boven het binnenland ontstaan. Boven het nog koude zeewater is de lucht koud, die echter dankzij de al krachtiger wordende zonnestraling boven het aardoppervlak wordt aangewarmd. Aldus kan de lucht ontstabiel worden, waardoor de buienvorming op gang kan komen.
Maar ook kan de bovenlucht stabiliseren, doordat er in de hogere luchtlagen warmere lucht wordt geadvecteerd( toestroomt). Dit zien we bijvoorbeeld bij de nadering van het warmtefront van een depressie, waarvan de frontale zone op grote hoogte ver vooruit loopt op het front aan het aardoppervlak. Een buiig weertype zal, met het binnenkomen van de hogere en middelbare bewolking van het warmtefront, overgaan in een tijdelijk droog en bewolkt weertype. Soms kan de onderkoelde en/of deels verijsde top van een flinke cumuluswolk in contact komen met het ijs van de opdringende hogere warmtefrontbewolking. In bepaalde gevallen kan de wolk dan toch nog neerslag gaan brengen. We noemen dit verschijnsel inzaaiing, omdat er op deze wijze ijs in de onderkoelde wolk wordt "gezaaid". 

Winterse buien
Deze buien spreken vaak vooral weeramateurs tot de verbeelding, omdat ze soms garant zijn voor een pak sneeuw. Verkeersdeelnemers zijn er vaak minder blij mee, omdat ze plotselinge gladheid kunnen veroorzaken. Winterse buien zijn buien, die naast regen, ook (korrel)hagel en sneeuw kunnen brengen. Vaak valt er tijdens zo'n winterse bui een combinatie van deze neerslagvormen. Hagelstenen zijn vaak kleiner dan 0,5 cm. Boven deze maat spreken we van hagel, daar beneden van korrelhagel. De buitenkant bestaat uit ijs. Ook zien we wel korrelsneeuw, zachte bolletjes, die we wat zien opspringen. Deze laatste neerslagvorm valt bij temperaturen rond het vriespunt. Omdat de temperatuur in de zomer tijdens een bui vaak sterk daalt, heerst de misvatting dat een winterse bui, die bij aanvang regen brengt, wellicht spoedigr een pak sneeuw zal afleveren. De werkelijkheid is echter anders ....Vlak voordat de bui de waarnemer bereikt heeft, is de lucht gewoonlijk relatief droog en heeft een temperatuur van pakweg 5 graden. De natteboltemperatuur van deze lucht is dan vaak rond of net beneden het vriespunt. Dit is belangrijk,want dat betekent niet anders dan dat de vallende neerslag niet of nauwelijks smelt. Het zal in dit geval dan ook gaan sneeuwen of hagelen. Niettemin veroorzaakt de vallende neerslag in de bui een stijging van de natteboltemperatuur, die al snel boven nul zal uit komen. Helaas voor de sneeuwliefhebbers: De sneeuw gaat al spoedig over in regen en de veelbelovende sneeuwbui gaat over in een oer-Hollandse regenbui. Als de neerslagintensiteit groot genoeg blijft kan de neerslag wel weer (deels) overgaan in (natte) sneeuw. 
Sneeuwvlokken kunnen we zien als de temperatuur tijdens buiig weer hooguit 6 graden is. Korrelhagel zien we als de temperatuur hooguit 10 tot 13 graden is. In het voorjaar, als er met noordenwinden zeer droge arctische lucht over ons land uit stroomt, kan het wel sneeuwen bij 8 graden maar deze smelt op de ondergrond al snel weg. Dit soort buien trekken vaak snel over en produceren vaak maar weinig neerslag. Winterse buien met sneeuw komen in ons land voor vanaf half oktober tot soms begin mei. Sneeuw, die (even) blijft liggen valt meestal tussen november en half april.
De sneeuw, die uit winterse buien valt, bestaat vaak uit grote vlokken, omdat ze gewoonlijk bij temperaturen van boven nul valt. De sneeuw bestaat voor een deel uit water, zodat men dan eigenlijk spreekt van natte sneeuw, of zoals de Belgen eigenlijk beter verwoorden: smeltende sneeuw.

Foto: Soms zijn er zoveel buien, dat ze de neiging vormen om zich samen te voegen, of te clusteren. Het kan dan soms urenlang regenen of sneeuwen. Maar soms levert dat ook mooie "doorkijkjes" op.

Polar low
Dit verschijnsel zien we in Nederland soms ook. Het is een lagedrukgebied, afkomstig van hoge breedten. Vaak ontstaan ze langs de Noorse kust. Het lagedrukgebied bevat geen fronten. Met dit systeem hangen vaak zeer felle (sneeuw)buien samen, die soms tientallen centimeters sneeuw kunnen afleveren. In bijna elke winter komt er wel eentje in ons land voor, al levert dat niet altijd een dik pak sneeuw op. Soms komt het ook tot onweer, al beperkt zich dat tijdens winterse buien vaak tot een of enkele donderslagen. Tegenwoordig pikken we dankzij de moderne computers en weersatellieten deze systemen vroeg genoeg op , voorheen werden we door deze Polar Lows soms onaangenaam verrast als op de Waddeneilanden de eerst onverwachte sneeuwbuien vielen.