Wat is weer eigenlijk?

De atmosfeer: samenstelling en verticale structuur

De atmosfeer is een gaslaag van enkele honderden kilometers dik, vastgehouden door de zwaartekracht, waar zich al het weer afspeelt. Haar samenstelling en haar gelaagde structuur bepalen de regels ervan.

Waaruit bestaat de lucht?

Droge lucht bevat 78 % stikstof (N2), 21 % zuurstof (O2) en bijna 1 % argon. De rest, minder dan 1 %, verenigt de sporengassen, aanwezig in heel kleine hoeveelheid maar essentieel, zoals koolstofdioxide (ongeveer 0,04 %). Deze samenstelling blijft opmerkelijk constant tot bijna 100 km hoogte, een zone die homosfeer heet omdat de menging er de gassen homogeen maakt. Apart staat de waterdamp, heel variabel (0 tot 4 %) en onderaan geconcentreerd: het is de enige component die bij aardse temperaturen van toestand verandert, vandaar haar grote meteorologische rol.

Een atmosfeer in vier lagen

Men stapelt de atmosfeer volgens het temperatuurprofiel. De troposfeer (0 tot ongeveer 12 km) is de zetel van het weer; de temperatuur daalt er gemiddeld met 6,5 °C per kilometer. Daarboven ziet de stratosfeer de temperatuur weer stijgen, omdat de ozonlaag er de ultraviolette straling van de zon absorbeert. Daarna komt de mesosfeer, waar het weer heel koud wordt, dan de thermosfeer, extreem heet maar zo ijl dat men er geen warmte zou voelen.

De tropopauze, een thermisch deksel

Tussen troposfeer en stratosfeer markeert de tropopauze een inversie: de temperatuur stopt met dalen en begint te stijgen. Die inversie werkt als een deksel dat de verticale bewegingen blokkeert; zij begrenst de top van de cumulonimbus en geeft hun hun aambeeld. De druk en de dichtheid van de lucht dalen wel voortdurend met de hoogte: op 5,5 km blijft nog maar de helft van de massa van de atmosfeer erboven.

• Troposfeer (0 tot 12 km): het weer, temperatuur daalt met de hoogte
• Stratosfeer (12 tot 50 km): ozonlaag, temperatuur stijgt weer
• Mesosfeer (50 tot 85 km): de koudste laag
• Thermosfeer (boven 85 km): heel heet maar bijna leeg, poollichten

Stralingsbudget, albedo en broeikaseffect

Niets beweegt in de atmosfeer zonder energie. Die energie komt van de zon, maar ze komt niet overal op dezelfde manier aan: dat onevenwicht is de motor van alles.

Het stralingsbudget

De aarde ontvangt van de zon straling met korte golflengte, vooral zichtbaar, en zendt naar de ruimte infraroodstraling met lange golflengte terug. Op de schaal van de aardbol en over het jaar is de ontvangen energie gelijk aan de verloren energie: dat is het stralingsevenwicht. Maar plaatselijk ontvangen de tropen een energieoverschot en de polen een tekort. Om dat verschil te dichten, transporteren de atmosfeer en de oceanen voortdurend warmte van de tropen naar de polen: dat is de oorsprong van de winden en de stromingen.

De albedo: het gereflecteerde deel

Een deel van de zonnestraling wordt teruggekaatst zonder op te warmen: dat is de albedo, uitgedrukt van 0 (alles geabsorbeerd) tot 1 (alles gereflecteerd). Verse sneeuw heeft een hoge albedo, tot 0,9, en kaatst bijna alles terug; de donkere oceaan een lage albedo, 0,1, en absorbeert veel. De albedo creëert terugkoppelingen: als het pakijs smelt, absorbeert het donkere oppervlak meer, wat opwarmt en nog meer doet smelten. Dat is een positieve terugkoppeling, dat wil zeggen die het beginverschijnsel versterkt.

Het broeikaseffect

Bepaalde gassen, de waterdamp, het koolstofdioxide, het methaan, laten het zonlicht door maar absorberen de infraroodstraling die de grond uitzendt, en zenden er een deel van terug naar beneden. Dat vasthouden verwarmt de lage atmosfeer: zonder dat zou de gemiddelde temperatuur ongeveer -18 °C bedragen in plaats van +15 °C. Let op het beeld: het is een stralingseffect, een absorptie van infrarood, niet te verwarren met een tuinkas, die vooral belet dat de warme lucht ontsnapt.

Weer, klimaat, schalen en voorspelbaarheid

Weer en klimaat, en de grenzen van wat men kan voorspellen, worden verhelderd door twee ideeën: de tijdschaal en de chaos.

Weer en klimaat: een kwestie van duur

De meteorologie beschrijft de toestand van de atmosfeer op een ogenblik en haar evolutie over enkele dagen. De klimatologie bestudeert de statistiek van het weer over minstens dertig jaar: gemiddelden, variabiliteit, extremen. De gevleugelde uitdrukking: het klimaat is wat je verwacht; het weer is wat je krijgt. Eén zachte winter zegt niets over het klimaat; dertig winters wel.

De ruimtelijke schalen

De verschijnselen worden per grootte geordend. Op de synoptische schaal, duizenden kilometers, heersen depressies en hogedrukgebieden, zichtbaar op de kaarten van het bericht. Op de mesoschaal, tien tot enkele honderden kilometers, leven de onweders, de buienlijnen en de briesen. Op de microschaal, van de meter tot de kilometer, spelen de turbulentie en de lokale windstoten. Een voorspellingsmodel moet zijn resolutie kiezen volgens de schaal die het wil weergeven.

Chaos en de grens van de voorspelbaarheid

De atmosfeer is een deterministisch systeem, ze gehoorzaamt aan fysische wetten, maar chaotisch: een minuscuul verschil in de begintoestand groeit aan met de tijd. Dat is het vlindereffect, ontdekt door de meteoroloog Edward Lorenz. Gevolg: de deterministische voorspelling, dag per dag, blijft betrouwbaar ongeveer tien dagen; daarna spreekt men enkel nog van tendensen.

Antwoorden op de onzekerheid: de ensemblevoorspelling

Om die onzekerheid te meten, start men niet één maar tientallen simulaties, elk vertrekkend van een heel licht gewijzigde begintoestand. Als alle scenario's op elkaar lijken, is het vertrouwen hoog; als ze uiteenlopen, is de onzekerheid groot. Dat is de ensemblevoorspelling, en zij rechtvaardigt de percentages kans op regen.