3 THERMODYNAMICA

Thermodynamica is warmteleer, een onderdeel van de natuurkunde dat zich bezighoudt met de invloed van temperatuur, druk en volume op vloeistoffen en gassen. De thermodynamica gaat o.a. uit van de wet van het behoud van energie (energie gaat nooit verloren) en van het feit dat het onmogelijk is warmte om te zetten in arbeid zonder gebruik te maken van een temperatuurverschil. Voor een gas geldt: Druk x volume gedeeld door de temperatuur is contstant (PxV / T=constant). Wanneer warme lucht opstijgt dan komt het in een omgeving met een lagere druk. De stijgende lucht zet tijdens het stijgen uit. Het volume wordt groter. De energie om deze arbeid te  verrichten wordt onttrokken aan de temperatuur.

Door temperatuurverschillen ontstaan drukverschillen en de lucht begint te stromen. Lucht die horizontaal stroomt noemen we wind en warme lucht die verticaal omhoog gaat heet thermiek. Bij thermiek stijgt warme lucht en deze koelt onder het stijgen af. Lucht bevat waterdamp. Hoe warmer de lucht des te meer waterdamp de lucht kan bevatten. De hoeveelheid waterdamp die de lucht bij een bepaalde temperatuur bevat en zou kunnen bevatten noemen we de relatieve vochtigheid. Lucht die afkoelt kan minder waterdamp bevatten; de relatieve vochtigheid neemt toe. Wanneer de lucht nog verder afkoelt dan raakt de lucht uiteindelijk verzadigd. De relatieve waterdamp is 100%. Koelt de lucht nog verder af dan condenseert de waterdamp er ontstaat een wolk. De temperatuur waarbij dat gebeurt heet dauwpunt en de hoogte waarop dit gebeurt het condensatieniveau.

Door een verstoring komt de thermiekbel los. De warme lucht stijgt en koelt 1°C per 100 m af. De stijgende lucht die ondertussen afkoelt raakt verzadigd en er ontstaat condensatie. De stapelwolk verraadt dat daar stijgen zit. Een ervaren zweefvlieger leert de wolken te lezen en bepaalt welke thermiekbel hij wel pakt en welke niet.

Thermiekbellen in de vorm van een driehoek met de punt omhoog geven in de regel de beste thermiek. Het stijgen zit meestal aan de zon-windzijde. Wanneer de bel niet meer van warme lucht wordt voorzien dan lost de wolk op. Zo'n wolk lijkt meer op een ongekeerde driehoek met oplossende wolkenflarden.

De lucht stijgt niet altijd zover door dat er een wolk ontstaat. Wanneer de stijgende lucht niet doorstijgt tot het condensatieniveau dan spreken we van blauwe thermiek. Blauwe thermiek is moeilijker te vinden maar geeft net zoveel stijgen.

De temperatuur van de lucht neemt met de hoogte af. Gemiddeld met 0,65°C per 100 meter. Bij een warme bovenlucht stijgen thermiekbellen niet of nauwelijks. Ze komen los en stuiten op warme lucht. Het stijgen stopt zodra de temperatuur van de bel gelijk is aan de omringende lucht. We zeggen dan dat de lucht stabiel is. Dat merk je aan het zweefvliegen. De lucht is rustig; het zweefvliegtuig wordt niet verstoord en is heel gemakkelijk te besturen. Alleen in de onderste meters merken we soms iets van de loskomende bellen die even opstijgen. We zeggen dan heel hoopvol: "Het rommelt al een beetje".

Onstabiele lucht komt los en gaat door met stijgen. Pas op behoorlijk grote hoogte is de temperatuur van de stijgende luchtbel gelijk aan de omringende lucht. De laag tot aan de hoogte waar het stijgen ophoudt is onstabiel.

Het loskomen van de thermiekbellen is altijd weer anders. Hoe en wat voor soort bellen er ontstaan hangt van veel factoren af. Bij mooi zonnig windstil weer bouwt er op de grond een laag warme lucht op, soms wel 60 meter dik. We noemen dit de superadiabatische laag. Door een verstoring komt de bel los. De bel zuigt de hele omgeving leeg en als een grote slurf gaat de warme lucht recht omhoog. Bij harde wind komen de bellen veel eerder los, staat de thermiekslurf scheef en ontstaan er ellipsvormige of verwaaide thermiekbellen.

Het stijgen van de thermiekbel noemen we een adiabatisch proces omdat er geen warmte-uitwisseling  met de omringende lucht plaats vindt. Lucht is namelijk een goede isolator, geleidt warmte slecht en geeft de warmte niet af aan de omringend lucht. Een bel lucht met een andere temperatuur en luchtvochtigheid mengt niet gemakkelijk met andere lucht. Als en heteluchtballon gaat zo'n bel lucht omhoog. De stijgende lucht koelt af met 1°C per 100 meter tot aan het condensatieniveau. Dit noemen we de droogadiabaat. Boven het condensatieniveau ontstaat er een wolk. Om water te laten verdampen heb je warmte nodig. Bij condensatie komt warmte vrij. De lucht koelt nu bij het stijgen niet meer af met 1°C per 100 meter maar (afhankelijk van druk en temperatuur) met bijvoorbeeld 0,65°C per 100 meter . De afname van de temperatuur boven het condensatie niveau noemen we de natadiabaat .

De thermiek komt meestal pas los als de zon boven een hoek van 45° boven de horizon staat. 's Winters is er in ons land zelden sprake van goede thermiek, midden in de zomer geregeld en gedurende een groot gedeelte van de dag. De thermiek komt vaak tussen tien en 12 uur los, is meestal 's middags tussen drie en vier uur het sterkst, neemt daarna af en eindigt vaak om een uur of zes. Bij overlandvliegen vanaf Leeuwarden is het verstandig om om vier uur te bereken of je niet aan de terugtocht moet beginnen.

Tegenwoordig zijn er websites die ons vertellen hoe sterk de thermiek wordt, hoe hoog de thermiek gaat en hoe laat de thermiek loskomt. Dit kun je zelf ook berekenen met behulp van de gegevens van de KNMI. 

Op deze kaart heb ik met de schuine lijnen om de twee graden mogelijk droogadiabaten getekend. Wordt het op een dag 30°C dan is de lijn die bij 30°C staat de droogadiabaat. Eerst teken je op de kaart de toestandskromme,  dat is een lijn die je kunt trekken als je de temperaturen op verschillende hoogten hebt ingevuld. In het voorbeeld de blauwe lijn. Vervolgens trek je een lijn bij de maximum temperatuur die voor jouw gebied verwacht wordt. Hier de rode lijn bij 21°. Dat wordt de droogadiabaat van die dag. Volgens die lijn koelt de stijgende lucht af. Zo lang de temperatuur van de stijgende lucht rechts van de toestandskromme blijft gaat het stijgen door. Bij het condensatieniveau (wolkenbasis) begint de natadiabaat en die gaat iets minder schuin omhoog.

De wolkenbasis kun je berekenen door het verschil uit te rekenen tussen de maximum temperatuur en die van het dauwpunt. Dat getal vermenigvuldig je met 120 en dan heb je een globale inschatting van de wolkenbasis in meters.

Ook in de bergen koelt de lucht, die bij de berg omhoog moet, af met 1°C per 100 meter. Aan de loefzijde van de berg kan de stijgende lucht het condensatieniveau bereiken, doorstijgen als natadiabaat en zelfs neerslag geven. Aan de luwzijde daalt de lucht, de lucht warmt op volgens de droogadiabaat en geeft aan de luwzijde mooi weer (föhn).

Het bezit van een GPL geeft je het recht om in de bergen te gaan zweefvliegen. Bergvliegen is een schitterende ervaring, maar om veilig te kunnen bergvliegen moet je eerst les nemen. Thermiekvliegen heb je met een instructeur in de praktijk geleerd en zo moet je het bergvliegen in de tweezitter leren van een ervaren bergvlieginstructeur.

In de bergen heb je hellingen waar de zon al vroeg in de morgen of juist laat in de middag met een hoek van 90° op de helling schijnt. Daardoor is het verloop van de thermiek in de bergen anders dan in het vlakke Nederland.

Net zoals een steen in een snel stromende beek achter de steen een rij steeds hogere golven kan veroorzaken, zo ontstaat er soms in de bergen golf. De gunstige condities voor het ontstaan van golf komen vooral in de herfst en het vroege voorjaar regelmatig voor. Aan de windzijde wordt de wind gedwongen om tegen de berg op te stijgen. Hierbij vormt zich bij voldoende luchtvochtigheid de kamwolk (een stratusachtige wolk). Deze kamwolk lost aan de lijzijde weer op, doordat daar de lucht daalt. Daar ontstaat dan een gat in de bewolking, het föhngat. Achter de kam ontstaat de zgn. rotorwolk, met enorm stijgen en dalen. Daarin vliegen is doorgaans zeer gevaarlijk, omdat de kans op overbelasting van het vliegtuig aanwezig is. Als de luchtvochtigheid groot genoeg is wordt de rotorwolk zichtbaar. Hij blijft op dezelfde plaats staan, daarboven bevindt zich de golf. Om aansluiting te krijgen kun je je tot in het begin van de golf laten slepen.  Als er golf staat is de onderste laag in de atmosfeer zeer turbulent. Je moet dus over een ruime sleepervaring beschikken. In de golf zelf is het stijgen krachtig en meestal heel stabiel. Op de afbeelding is te zien dat vochtige luchtlagen op grote hoogte in de toppen van de golf zgn lenticulariswolken kunnen vormen. De 'lenti's', rotorwolken en kamwolk veranderen niet van plaats. Zij vormen zich aan de windzijde en lossen aan de lijzijde op. In de golf blijf je zoveel mogelijk op dezelfde plaats vliegen. Je bepaalt je positie t.o.v. 2 punten op de grond. Door met de neus in de wind je snelheid zo aan te passen dat je ten opzichte van deze punten niet van plaats verandert, blijf je in de golf 'staan'.

Dirk Corporaal 2012-11-11