3.1 DE ATMOSFEER 

Dit hoofdstuk is onderverdeeld in:

• 3.1.1 DE SAMENSTELLING, OMVANG EN VERTICALE VERDELING VAN DE ATMOSFEER
• 3.1.2 DE TEMPERATUUR VAN DE ATMOSFEER
• 3.1.3 LUCHTDRUK
• 3.1.4 LUCHTDICHTHEID
• 3.1.5 DE INTERNATIONALE STANDAARDATMOSFEER
• 3.1.6 HOOGTEMETERINSTELLINGEN

3.1.1 DE SAMENSTELLING, OMVANG EN VERTICALE VERDELING VAN DE ATMOSFEER

• De structuur van de atmosfeer, 
• De troposfeer

De structuur van de atmosfeer

De aarde is een van de planeten die in een baan om de zon draaien. Elke planeet heeft zijn eigen baan. De aarde maakt in 365 1/4 dag een omwenteling om de zon en draait ondertussen in 24 uur om zijn as. Die aardas staat niet loodrecht maar schuin en dat zorgt ervoor dat we in België zomers veel meer uren zonnestralen ontvangen dan 's winters en dat zomers de hoek die de zonnestralen maken met het aardoppervlak veel groter is.

Sommige planeten hebben een atmosfeer, een gasvormig omhulsel dat de planeet omgeeft. De atmosfeer die om de aarde heen zit, wordt ook wel dampkring genoemd. Het woord dampkring heeft betrekking op de waterdamp die er in voorkomt. Waterdamp is het belangrijkste bestanddeel van de lucht voor het ontstaan van weersverschijnselen

Op de foto hierboven zie je vanuit de ruimte de dampkring, wolken en op de achtergrond de maan.

Het gasmengsel dat als een schil om de aarde zit wordt lucht genoemd. Die luchtlaag is enige honderden kilometers dik, maar hoe hoger je komt hoe ijler de lucht. 

Zo'n 70% van het aardoppervlak bestaat uit zee. Warme golfstromen verplaatsen de warmte van de evenaar richting de polen en koude golfstromen voeren die terug. In de onderste laag van de atmosfeer gebeurt hetzelfde. Warme lucht stijgt als de lucht eromheen kouder is en koude lucht daalt in een warmere omgeving. Daardoor ontstaan luchtdrukverschillen. Lucht stroomt van een gebied met een hogere druk naar een gebied met een lagere druk.

Het gaat in dit hoofdstuk over de straling van de zon, het opwarmen van de grond en horizontale en verticale luchtstromen. Over het ontstaan van wolken, neerslag, verdamping en al de processen die samen het weer vormen. Met het weer bedoelen we de toestand van de dampkring op een bepaald moment op een bepaalde plaats. 

Kenmerken van het weer zijn temperatuur, wind en neerslag.

Wat we lucht noemen is in werkelijkheid een mengsel van gassen. Droge lucht bestaat voor:

• 78% uit stikstof (N2),
• 21% uit zuurstof (O2) en
• 1% uit andere gassen zoals koolzuurgas (koolstofdioxide = CO2).

Daarnaast bevat de lucht dus ook waterdamp (H2O). Het percentage is niet constant, het hangt o.a. af van de temperatuur. Koude lucht kan weinig en warme lucht kan veel waterdamp bevatten. 

Lucht bestaat uit moleculen die door de zwaartekracht van de aarde worden aangetrokken. Op zeeniveau wordt de lucht samengedrukt door de luchtkolom erboven. Bij het toenemen van de hoogte, daalt de luchtdruk door de afname van het gewicht van de luchtkolom (zie 3.1.3 Luchtdruk). De lucht wordt ijler (zie 3.14 Luchtdichtheid) en bevat minder moleculen.

De temperatuur van de atmosfeer varieert met de hoogte. Op basis van het verloop van de temperatuur kun je de atmosfeer indelen in vier lagen:

1. de troposfeer;
2. de stratosfeer;
3. de mesosfeer;
4. de thermosfeer.

De troposfeer
In de troposfeer neemt de temperatuur in het algemeen met de hoogte af. In de stratosfeer neemt de temperatuur met de hoogte weer toe. Dit komt door absorptie van de ultraviolette stralen van het zonlicht op deze hoogte. De overige zonnestralen worden nauwelijks door de atmosfeer geabsorbeerd.

Tussen de troposfeer en de stratosfeer zit een laag waarin de temperatuur met de hoogte gelijk blijft. Lagen waarin de temperatuur met de hoogte gelijk blijft, heten pauzen. De laag tussen troposfeer en stratosfeer noemen we de tropopauze. 

Een luchtlaag waar de temperatuur met de hoogte stijgt heet een inversielaag (inversie betekent omgekeerd en dit wordt verder besproken bij 3.1.2 Ontstaan inversie). Een laag waar de temperatuur met de hoogte gelijk blijft is een isothermie. 

Warme lucht is lichter dan koude lucht. Een bel warme lucht gaat als een hete luchtballon omhoog (zie 3.3 Thermodynamica). De warme lucht in de ballon mengt zich niet met de lucht buiten de ballon. Ook een bel warme lucht die omhoog gaat mengt zich nauwelijks met de lucht eromheen, want lucht is een goede isolator. 

De stratosfeer kun je zien als een deksel op de troposfeer, want lucht die opstijgt kan alleen opstijgen als de omringende lucht kouder is. De warme lucht van de aarde stijgt dus nooit door tot in de stratosfeer.

De tropopauze (de laag waar de temperatuur met de hoogte gelijk blijft), is een isotherme luchtlaag. Onweerswolken stijgen soms door tot in de tropopauze en het verticale stijgen komt hier tot stilstand.

Het weer op onze planeet speelt zich voornamelijk af in de troposfeer.

 3.1.2 DE TEMPERATUUR VAN DE LUCHT

• Straling
• Definities en eenheden: Celsius en Fahrenheit
• Verticale temperatuurverdeling
• Overdracht van warmte
• Temperatuurverloop met de hoogte
• Ontstaan inversie
• Temperatuur nabij het aardoppervlak, oppervlakte-effecten, dagvariatie, effect van wolken, effect van wind

Straling
De zon is de belangrijkste factor bij het ontstaan van het weer. Wanneer de zon loodrecht op een m2 aardoppervlak schijnt, dan levert de zon daar ±1000 Watt per m² aan energie. De zon verwarmt de aarde maar dit gebeurt niet gelijkmatig. Op plaatsen waar de zon loodrecht op het aardoppervlak schijnt, is de instraling wel twee keer zo groot als in een gebied waar de zon onder een hoek van 30° het aardoppervlak beschijnt. 

Wanneer de zon onder een hoek van 90° het aardoppervlak beschijnt dan komen er op een m2  twee keer zoveel zonnestralen dan wanneer de zon onder een hoek van 30° een gebied beschijnt.

Op de volgende afbeelding zie je dat de zonnestralen in de winter op het noordelijk halfrond een langere weg door de atmosfeer maken en een groter oppervlak moeten opwarmen.

Waar de zon loodrecht boven het aardoppervlakte staat is de weg door de atmosfeer korter en bestrijken eenzelfde hoeveelheid zonnestralen een kleiner oppervlak. Daar wordt het veel warmer. Zo ontstaan er temperatuurverschillen op aarde.

De zon levert een enorme hoeveelheid energie. Slechts een heel klein deel daarvan bereikt onze dampkring. Van de energie die de dampkring bereikt, wordt ongeveer de helft opgenomen door het aardoppervlak. Een deel wordt door de dampkring opgenomen. Een deel van de zonnestralen weerkaatst door de dampkring en ook een deel van de zonnestralen die op de wolken valt, weerkaatst. Komt zonlicht op sneeuw terecht, dan wordt de energie bijna helemaal teruggekaatst. Waar de grond of het zeewater warm worden, daar geeft de aarde warmte af aan de lucht die daar boven ligt. 

Wanneer je op een mooie zomerse avond met je rug tegen een muur zit die de hele dag in de zon gestaan heeft, dan voel je hoe die muur 's avonds warmte afgeeft. De aarde straalt 's nachts de ontvangen zonnewarmte uit. De instraling door de zon en de uitstraling door de aarde zijn ongeveer in evenwicht. De gemiddelde temperatuur van de aarde is (of misschien beter was)  0,9 °C. De gemiddelde temperatuur van België was 9° en is de laatste tien jaar ruim 10 °C. De aarde warmt op. 

Definities en eenheden: Fahrenheit en Celsius
De temperatuur van de atmosfeer wordt gemeten in Celsius of Fahrenheit. Wereldwijd wordt bijna overal Celsius gebruikt. In vijf landen, waaronder de VS, gebruikt men Fahrenheit. Celsius is gebaseerd op het smeltpunt van ijs  (0 °C)  en het kookpunt van water 100 °C. Van Fahrenheit naar Celsius bereken je als volgt: (°F - 32) :1.8 = °C. 

De temperatuur van de lucht wordt, om de invloed van de zon en de grond te beperken, in een witte wind doorlatende thermometer hut op een hoogte van 1,5 meter gemeten.

Verticale temperatuurverdeling
In de troposfeer neemt de temperatuur van de lucht met de hoogte af. Die temperatuurdaling is niet altijd hetzelfde. Weerstations laten twee maal per dag een weerballon op. Die geeft de temperatuur, vochtigheid en luchtdruk op de verschillende hoogten door aan het weerstation. Wanneer je die temperatuur tegen de hoogte afzet dan ontstaat bijvoorbeeld onderstaande grafiek. 

De rode lijn op de afbeelding heet de toestandskromme. Dat is de temperatuur van de lucht op die hoogte op dat moment. Je ziet dat er op een hoogte van ongeveer 1300 m een inversielaag voorkomt. Dat is een laag waar de temperatuur met de hoogte niet daalt maar stijgt. Verder zie je een isothermie, een laag waar de temperatuur van de lucht met de hoogte gelijk blijft.

Overdracht van warmte
Overdacht van warmte kan plaatsvinden door straling, geleiding en stroming. Overdag verwarmt de zon de aarde (straling). De aarde geeft die warmte af aan de daarop rustende lucht (geleiding). Lucht geeft zijn warmte (bijna) niet af aan de daarboven liggende lucht. Wanneer stoffen verwarmd worden dan bewegen de moleculen sneller en zetten ze uit. Gassen zetten het meest uit. Warme lucht zet uit, wordt lichter en gaat, net zo als dat gebeurt bij een heteluchtballon, omhoog (stroming).

Lucht die stijgt komt in een gebied met een lagere luchtdruk. Het  pakketje stijgende lucht zet uit. Daarbij wordt de omringende lucht weggeduwd. Dit uitzetten is arbeid en de energie daarvoor komt uit de stijgende lucht en daardoor zal de temperatuur van de stijgende lucht dalen. De temperatuurafname van een bel stijgende droge lucht is 1 °C per 100 meter. Dit noemen we de droogadiabaat (zie 3.3.3). 

Zo lang de lucht warmer is dan de omringende lucht gaat het stijgen door.

• Lucht die warmer wordt, zet uit, wordt lichter en gaat omhoog (koudere lucht daalt).
• Ligt koude lucht onder warme lucht dan gebeurt er niets (stabiel zie: 3.3.3 ).
• Ligt warme lucht onder koude lucht dan stijgt de warme lucht (onstabiel) zie 3.3.3)
• Warme lucht stijgt nooit verder dan de tropopauze, want daarboven stijgt de temperatuur met de hoogte.

Dalende lucht komt in een omgeving terecht waar de luchtdruk hoger is. De druk in de dalende lucht neemt toe. De lucht wordt samengeperst. Hierbij komt energie vrij. Dalende lucht warmt op. Dit merk je wanneer je een fietsband oppompt. Aan het ventiel kun je voelen dat daar waar de lucht doorheen geperst wordt, het ventiel heet wordt. Dalende lucht wordt 1 ⁰C warmer per 100 meter dalen. 

Temperatuur nabij het aardoppervlak, oppervlakte-effecten, dag variatie, effect van wolken, effect van wind
Het maakt verschil of de zon op water of op land schijnt. Zonnestralen dringen diep door in water. Water warmt langzaam op en koelt langzaam af.

Beschijnt de zon het land dan speelt de grondsoort, de kleur van de grond en de aanwezigheid van bergen weer een rol. Zand warmt snel op en donkere grondsoorten absorberen meer warmte dan grond met een lichte kleur. Het aardoppervlak geeft door geleiding, net als een radiator, warmte af aan de luchtlaag die erop rust. 

Hoe hoger de zonnestand hoe groter de instraling en hoe warmer het wordt. Doordat de zonnestand in de ochtend steeds hoger wordt stijgt de temperatuur.

Nadat de zon z'n hoogste punt bereikt heeft (in België bij zomertijd iets voor 2 uur 's middags) , stijgt de temperatuur nog door omdat de ingestraalde energie nog groter is dan de uitgestraalde energie. Daarna daalt de temperatuur totdat 's morgens de zonne-energie weer hoger is dan de uitgestraalde energie. 

Wanneer de zon een helling beschijnt dan kan de zon die helling onder een grote hoek van bijvoorbeeld 90° beschijnen, waardoor de temperatuur daar hoger wordt. 

Wolken keren zonnestralen, daarom wordt het dan overdag minder warm. 's Nachts keren de wolken de uitstraling van warmte. De wolken werken dan als een carport, het wordt dan veel minder koud.

3.1.3 LUCHTDRUK

• Barometer en isobaren
• Drukvariatie met hoogte
• Druk op zeeniveau

De luchtdruk op een punt in de atmosfeer is het gewicht van de totale hoeveelheid lucht in de kolom recht boven dat punt. Daarom is de luchtdruk hoger in de atmosfeer altijd lager. De druk is naast de hoogte van de kolom ook afhankelijk van de temperatuur in die luchtkolom. Op zeeniveau kan de luchtdruk in België variëren tussen 965 en 1050 hPa. De gemiddelde luchtdruk op zeeniveau is  (1013 hPa). 

Luchtdrukbarometers geven de druk aan in millibars of hectopascal, afgekort hPa. Eén hectopascal is gelijk aan één millibar. Millibar is de verouderde benaming, de officiële benaming voor luchtdruk is nu Pascal.

Isobaren zijn lijnen op een weerkaart die gebieden met dezelfde luchtdruk verbinden (zie 3.6 Luchtsoorten en fronten).  

Door de sterkte opwarming van het aardoppervlak bij de evenaar vormt zich daar een hogere kolom warme lucht boven de aarde. Daardoor is de troposfeer bij de evenaar ongeveer 17 km dik en bij de polen circa 7 km. Door de temperatuurverschillen ontstaan er luchtdrukverschillen. Lucht stroomt net als water altijd van hoog naar laag. Van een gebied met hoge druk naar een gebied met lage druk. Zulke luchtstromen zorgen ervoor dat de warmte en de waterdamp over de aarde verdeeld worden.

3.1.4 LUCHTDICHTHEID

• De relatie tussen luchtdruk, temperatuur en luchtdichtheid

Luchtdichtheid is het gewicht in kilogrammen van 1 m³ lucht. Het gewicht van droge lucht op zeeniveau, bij 0 °C, bedraagt 1,293 kg/m3 bij een luchtdruk van 1013,25 hPa. De luchtdichtheid is afhankelijk van de luchtdruk en de temperatuur. Als lucht warmer wordt dan zet deze uit. Dus warme lucht heeft een lagere dichtheid en is daarom lichter dan koude lucht. Daarom zal warme lucht in een omgeving met koudere lucht stijgen

In tegenstelling tot de temperatuur neemt in de hele atmosfeer de luchtdruk met de hoogte af. In de onderste paar duizend meter daalt de luchtdruk met de hoogte het snelst. Op 2400 meter is de luchtdruk met een kwart gedaald en op 5500 meter is de luchtdruk gehalveerd. De luchtdichtheid neemt eveneens met de hoogte af maar minder snel dan de luchtdruk omdat bij toenemende hoogte ook de temperatuur lager wordt. 

3.1.5 DE INTERNATIONALE STANDAARDATMOSFEER

ICAO heeft de internationale standaardatmosfeer opgesteld en daarbij wordt uitgegaan van de volgende omstandigheden:

1. Een temperatuur op zeeniveau van 15 °C
2. Een temperatuurafname van 0,65 °C per 100 m hoogte in de troposfeer
3. Een druk op zeeniveau van 1013,2 hPa
4. Een afname van de druk met 1 hPa per 8 m tot ongeveer 1500 m hoogte.
5. Een luchtdichtheid van 1,225 kg per m³.

Het ijken van de hoogtemeter en de snelheidsmeter gebeurt bij omstandigheden die overeenkomen met de standaardatmosfeer. De standaardatmosfeer is een afgesproken atmosfeer waarbij we uitgaan van de gemiddelde druk op zeeniveau en de gemiddelde afname van de temperatuur met de hoogte. In onderstaande tabel staan luchtdruk, luchtdichtheid en temperatuur volgens de ICAO Standaard Atmosfeer voor een paar hoogtes.

Vlieg je bij omstandigheden die afwijken van de standaardatmosfeer dan zal de aanwijzing van de hoogtemeter een afwijking hebben. Hoe groter het verschil met de standaardatmosfeer hoe groter de afwijking.

De snelheidsmeter geeft de indicated airspeed weer. Bij de standaardatmosfeer op zeeniveau komt de indicated airspeed (IAS) overeen met de true airspeed (TAS). Bij toenemende hoogte neemt de luchtdichtheid af. De IAS komt dan niet meer overeen met de TAS. De TAS is op grote hoogte aanmerkelijk hoger dan de IAS.

De maximum snelheid van 260 km/h die je op deze snelheidsmeter ziet, geldt voor sommige zweefvliegtuigen niet voor vliegen op grote hoogte. Het handboek van het zweefvliegtuig geeft aan hoe hoog de maximum snelheid op bijvoorbeeld 5000 meter is.

3.1.6 HOOGTEMETERINSTELLINGEN

• QFE en hoogte, QNH en altitude en QNE en Flight Level 
• Transition altitude, 
• Hoogtemeterinstellingen berekenen
• De invloed van de temperatuur

Opmerking: Wat bij 3.1.6 staat over de hoogtemeterinstellingen is officiële SPL-examenstof voor het vak meteorologie. Aangezien dit ook bij het vak Navigatie aan de orde komt, worden er bij het vak Meteorologie geen vragen over de hoogtemeterinstellingen gesteld.

Hoogtemeterinstellingen

Een barometer geeft de luchtdruk aan. De luchtdruk neemt in het onderste deel van de atmosfeer af met 12,5 hPa per 100 m. Een hoogtemeter is een aangepaste barometer.

Deze hoogtemeter staat op 1035 hPa. Dat zie je op de subscale (de verdraaibare schijf) bovenin de hoogtemeter. Op die druk is de meter voor de vlucht gezet. Deze hoogtemeter geeft nu een hoogte van 650 meter boven veldniveau aan. Het kan ook zijn dat de QNH (druk op zeeniveau) 1035 hPa is. Dan bevindt deze hoogtemeter zich 650 meter boven zeeniveau.

Linksonder zie je een draaiknop. Door aan die knop te draaien kun je de ingestelde barometerdruk veranderen en de hoogtemeter instellen op:

1. veldniveau,
2. zeeniveau 
3. de druk van de standaardatmosfeer (1013,2 hPa).

We gebruiken voor de hoogtemeterinstellingen de volgende drie Q-codes:

1. QFE (field elevation). Is de hoogtemeter ingesteld op QFE dan geeft hij de hoogte op veldniveau weer. Om de hoogtemeter op veldniveau te zetten, draai je voor de start de beide hoogtewijzers op nul. Dat is vooral gemakkelijk voor de landing. Na een korte vlucht zal de hoogtemeter na de landing weer ongeveer nul meter hoogte aanwijzen. Bij lokale vluchten is dit de meest gebruikte hoogtemeterinstelling. De hoogte bij QFE noemen we height.
2. QNH. Zet je de hoogtemeter op QNH dan staat de hoogtemeter ingesteld op de luchtdruk op zeeniveau. De hoogtemeter zal op de grond de hoogte van het vliegveld aangeven. Deze luchtdruk neem je over van een meteo-station of je stelt de hoogte van het vliegveld in. Bij overland vluchten wordt deze instelling gebruikt, want de hoogtes op de vliegkaart worden boven zeeniveau weergegeven. Aangezien in België veel vliegvelden ongeveer op zeeniveau liggen, zit er bij ons weinig verschil tussen QFE en QNH. De hoogte bij QNH noemen we altitude.
3. QNE (standaard instelling). De QNE instelling wil zeggen dat de hoogtemeter is ingesteld op de standaarddruk van 1013,2 hPa. Bij deze instelling wordt de hoogte weergegeven in Flight Levels (FL). Internationaal is afgesproken dat vliegtuigen boven een bepaalde hoogte allemaal overschakelen op QNE. Dat is de transition altitude. In België is dat bij een hoogte van 4500 ft. Je zet dan de hoogtemeter op 1013,2 hPa (gemiddelde druk op zeeniveau). Voor internationale vluchten, waarbij het ene vliegtuig start met een andere plaatselijk luchtdruk (QNH) dan het andere vliegtuig is dit een belangrijke veiligheidsmaatregel. De verkeersleiding geeft passagiersvliegtuigen aan hoe snel ze moeten vliegen en welk flight level ze aan moeten houden. Op die manier worden botsingen vermeden. Zweefvliegtuigen die in een gebied tot bijvoorbeeld FL70 mogen stijgen, moeten de maximale hoogte bepalen aan de hand van QNE. Dus de hoogtemeter op 1013,2 zetten. Bij het dalen moet op een hoogte van FL 50 weer teruggedraaid worden naar QNH. Een FL komt overeen met 100 ft. FL 55 is 5500 ft als de QNH toevallig 1013,2 hPa is. 

Altitude is de verticale afstand tussen een vliegtuig en zeeniveau. Height is verticale afstand tussen een vliegtuig en het onderliggende terrein. Flight level (FL) is de hoogte in honderdtallen voeten waarbij de hoogtemeter op de standaarddruk op zeeniveau is ingesteld (1013 hPa).

De invloed van luchtdrukverandering
Tijdens een lange overland kan de luchtdruk veranderen. Stel je vliegt van een gebied met een hogere luchtdruk naar een gebied met een lagere luchtdruk dan wijst de hoogtemeter niet meer de juiste hoogte aan. Bij dalende luchtdruk geeft je hoogtemeter een te hoge hoogte aan. Ga je van hoge naar lage druk dan is het ezelsbruggetje: "From high to low, look out below".

Het zweefvliegtuig dat gestart is met een QNH van 1035 komt uren later in een gebied met een QNH van 1025. De hoogtemeter is nog ingesteld op een QNH van 1035 en geeft 350 m hoogte aan. In werkelijkheid zit het zweefvliegtuig bij een QNH van 1025 zo'n 100 m lager. Bij buiten landen moet je de hoogte in het circuit schatten. Gelukkig geeft een navigatieprogramma met een GPS vrij nauwkeurig de hoogte boven de grond aan. 

De invloed van temperatuurverandering
Vlieg je van een gebied met een hoge temperatuur naar een gebied met een lagere temperatuur, dan wijst de hoogtemeter te hoog aan. Je zit dan lager dan de hoogtemeter aangeeft. Vlieg je van kouder naar warmer dan zit je dus hoger dan de hoogtemeter aangeeft.

In deze video van 15 minuten wordt een goede samenvatting gegeven van dit hoofdstuk over de atmosfeer..