Onweer (bliksem en geluid)

Regelmatig komen er op dit forum topics voorbij waarin men zich uitspreekt over de harde donders die op een onweersrijke nacht volgen. Soms heeft men het ook over onweer waarvan het geluid juist tegen viel. Om een paar vragen weg te nemen heb ik besloten om een kort stukje over bliksemontladingen te schrijven. Hierin behandel ik verschillende zaken die vooral met het geluid van onweer te maken hebben.

De negatieve blikseminslag
Iedereen weet ongeveer wel hoe een bliksem ontstaat. Toch ga ik proberen dit in korte lijnen uit te leggen.

Onder een onweersbui heerst er een potentiaal aan spanningsverschillen. Om deze verschillen weg te nemen is de bui genoodzaakt dit te doen door middel van een enorme stroomstoot die het verstoorde elektrische veld weer ‘stabiel’ maakt. Het elektrische veld onder een onweersbui is dermate verstoord, dat de bui meestal meerdere malen, soms heel erg vaak het verstrooide veld stabiel maakt. Dit gebeurt logischerwijs door middel van een ontlading in de wolk (indien het potentiaal in de wolkenlagen te groot wordt) of tussen wolk en aarde (te groot potentiaal tussen wolk en aarde).

Wat gebeurt er dan precies? Vanaf de wolkenbasis begint er een zwakke stroom van enkele tientallen tot honderden ampere in stappen te lopen naar de aarde. Deze neerwaartse stroom wordt ook wel de voorontlading genoemd. De lading gaat in stappen van pakweg 50 meter richting de grond. Omdat de stroom steeds de weg van de minste weerstand zoekt zigzagt hij door de lucht. Het duurt ongeveer 20 milliseconde voordat de voorontlading nabij de grond reikt. Zodra de neerwaartse ontlading tot 100m boven de grond reikt, gaan er vanaf de aarde z.g.n. vangontladingen omhoog.

Op onderstaande plaatje zie je dit proces in een simpel omschreven.

Deze afbeelding werd automatisch verkleind aan jouw browser (800×649)

Er gaan dus vele vangontladingen, meestal in de wijde omgeving van een naderende voorontlading omhoog. Een of meerdere vangontladingen maken contact met de voorontlading. Een geioniseerd kanaal is nu geboren. Nu er contact is gemaakt zal er een hele snelle, heftige stroom gaan lopen vanaf de aarde (het huis op het plaatje) naar de wolk. Dit zien wij als de echte bliksem. Deze enorme stroom van 30.000 tot soms honderdduizenden ampères gaat met enorme snelheid naar de wolkenbasis.

Het geioniseerde kanaal wordt soms door meerdere bliksems gebruikt, dit worden ook wel return strokes genoemd. Het menselijke oog ziet dit als ‘flikkeren’ van de bliksem. Feitelijk betekent dit dat een bliksem soms wel 5 tot 10x in een huis kan slaan.

Wanneer meerdere vangontladingen contact maken met de voorontlading slaat de bliksem op meerdere plekken tegelijk in.

De bliksem in de wolk
De meeste bliksems doen zich voor in de onweersbui zelf. We zien dit als een oplichtende wolk. Soms zijn de kanalen van deze bliksems ook goed onder de wolkenbasis te zien.

In de wolk zelf is er eveneens een groot spanningsverschil. De bui is genoodzaakt ook dit verschil stabiel te maken en dit gebeurt wederom d.m.v. vonkvorming. De werking van een wolk bliksem is echter anders.

Een voorontlading baant zich een weg door de wolk. Deze bliksem lijkt ook te flikkeren alleen is het ditmaal niet te wijten aan de zogenoemde returnstrokes. Een wolk-bliksem bestaat enkel uit een voorontlading die zich uitspreid over de wolk. Vanwege de langzame verspreiding van de voorontlading lijkt het alsof de bliksem ‘flikkert’… wat je ziet zijn echter steeds andere stukken van de voorontlading die oplichten omdat de bliksem door de wolk heen reist.

Omdat een wolk ontlading geen krachtige return stroke heeft is het geluid wat zij produceren over het algemeen minder hard. Doch, soms komen er ook sterke wolk-ontladingen voor die soms klinken als een inslag.

Positieve inslag
Het aanbeeld van een onweersbui is positief geladen. Soms wordt het spanningsverschil tussen het aambeeld en de aarde te groot. De ontlading heeft bijna hetzelfde werkproces als een ‘reguliere inslag’ met voor- en vangontlading. Omdat het aambeeld echter positief geladen is loopt er een positieve stroom door het kanaal. Het verschil is echter dat de stroom niet vanaf de aarde naar het aambeeld loopt, maar andersom. De stroom loopt vanaf het aambeeld naar de aarde.

Van positieve bliksems is bekend dat zij ook buiten een bui kunnen inslaan (soms tot wel 6 kilometer). Dit komt omdat de voorontlading een veel grotere afstand aflegt waardoor de kans groter is dat deze zich veel verder uitspreid. Positieve ontladingen zijn om deze reden vaak grillig verdeeld over een bui, terwijl de negatieve inslagen in een klein gebied voorkomen.

Omdat de positieve ontlading een zeer grote afstand, niet zelden door droge lucht aflegt heeft deze bliksem een veel hoger amperage dan een normale inslag. Bovendien duurt de bliksem gemiddeld langer waardoor schade aan objecten vaak groter is, en de kans op overleving na een directe inslag velen malen kleiner.

Omdat deze inslagen een dermate hoog amperage hebben is de donder vaak een stuk harder als een normale CG. Het geluid is zo explosief dat het de raamkozijnen doet trillen. De bliksem is bovendien erg lang waardoor de donder erg lang aanhoud (soms wel een minuut).

Positieve ontladingen komen het meest voor bij buien die in hun sterfproces zitten. Het aambeeld (anvil) raakt los van de bui waardoor er extra lading vrijkomt. De kans op zo’n inslag is in dat geval groter.

Bij georganiseerde supercellen en bij winteronweer kunnen positieve inslagen de meest dominante ontladingssoort zijn.

Geluid
Hierboven heb ik omschreven hoe verschillende typen ontladingen in hun werk gaan en wat de gevolgen zijn (voornamelijk met betrekking tot het geluid) voor de waarnemer.

In onderstaand plaatje zie je waarnemer 1 en waarnemer 2. Beide op verschillende locaties rondom een bui.

Deze afbeelding werd automatisch verkleind aan jouw browser (800×649)

Waarnemer 1 bevind zich in de buurt van een inslag. De armen van deze bliksem (voorontlading) komen het dichtst in de buurt van de waarnemer. Omdat de voorontlading zwak is (tientallen tot honderden amperes) zal de waarnemer dit geluid als krakend, rommelend ervaren en vervolgend hoort hij de daadwerkelijke inslag als een knallend geluid.

Waarnemer 2 staat een stuk verder van de inslag af en ertussen bevind zich nog een neerslagscherm wat het geluid flink belemmerd. De waarnemer hoort eerst een rommelend geluid (uitloper van de inslag). Pas velen seconde later hoort hij gedreun van de daadwerkelijke inslag.

Het geluid van bliksem is echter ook afhankelijk van de atmosferische omstandigheden. Zo speelt de hoogte (basis) van de onweersbui een rol. Bliksems uit een bui met hoge basis kunnen op grotere afstand worden gehoord.

Winteronweer gepaard gaande met sneeuw is zeer slecht hoorbaar en klinkt meestal gebrokkeld. De sneeuw is namelijk een zeer goede geluidsisolator waardoor de bliksem alleen op korte afstand hoorbaar is. Ook speelt luchtvochtigheid en wind een rol. Naderend onweer is beter hoorbaar omdat de wind meestal voor de bui uitwaait zodat het geluid minder afgebroken aankomt bij de waarnemer.

En verder…
Het type bliksem wat in een bui domineert is per situatie en zelfs per bui verschillend. De ene bui kan juist veel wolk-ontladingen doen terwijl een bui verderop vrijwel alleen inslagen produceert.