Zo groeit hagel in een onweerswolk uit tot ijsstenen
Een hagelbui kan plotseling beginnen, maar de stenen groeien al eerder hoog in een buienwolk. Sterke luchtstromen voeren water en ijs door verschillende delen van de wolk, tot de hagelstenen te zwaar worden om te blijven zweven.
Wie hagel ziet vallen, ziet het laatste deel van een proces dat zich grotendeels buiten beeld afspeelt. In een krachtige buienwolk botsen waterdruppels en kleine ijsdeeltjes, terwijl stijgende lucht ze naar koudere hoogten voert. Daar kunnen ijsdeeltjes aangroeien zolang er vloeibaar water beschikbaar is. De sterkte en opbouw van de luchtstromen bepalen mede hoeveel tijd stenen krijgen om te groeien en waar ze uiteindelijk terechtkomen. Zo ontstaat niet elke hagelsteen op dezelfde manier of met dezelfde afmeting.
In welke wolk groeit hagel?
Hagel ontstaat in een buienwolk met krachtige stijgende luchtstromen. Zo’n wolk kan hoog doorgroeien, waar de lucht koud genoeg is om water te laten bevriezen. Het KNMI beschrijft dat buienwolken tot ongeveer 15 kilometer hoog kunnen reiken en zowel onderkoeld water als ijskristallen bevatten. Onderkoeld water is nog vloeibaar, hoewel de temperatuur onder nul ligt. Die combinatie van ijs, vloeibare druppels en bewegende lucht maakt aangroei mogelijk.
De wolk moet daarvoor niet alleen koud zijn. Er moet ook voldoende vocht zijn en de lucht moet sterk genoeg stijgen om kleine deeltjes langere tijd omhoog te voeren. Een buienwolk bevat bovendien dalende luchtstromen. Het samenspel van stijgen en dalen verschilt per bui. De ontwikkeling van zo’n wolk hangt samen met hoe warme, vochtige lucht opstijgt en uitgroeit tot onweer; zo groeit warme, vochtige lucht uit tot onweer.
Hoe verandert een druppel in een hagelsteen?
De vorming verloopt in grote lijnen in een paar stappen:
- Een klein ijsdeeltje vormt de kern. Een waterdruppel kan in de koude bovenkant van de wolk bevriezen. Ook kleine ijskristallen kunnen als beginpunt dienen.
- De luchtstroom voert het deeltje omhoog. In een koud deel van de wolk komt de kern in aanraking met vloeibare druppels die nog niet zijn bevroren.
- Druppels vriezen vast. Het water hecht zich aan het ijsdeeltje en bevriest. Zo groeit de kern laag voor laag.
- De steen valt of wordt verplaatst. Zodra de opwaartse lucht de steen niet meer kan dragen, valt hij naar beneden. Onderweg kan hij verder groeien als hij opnieuw door een gebied met vloeibaar water beweegt.
De Amerikaanse National Severe Storms Laboratory beschrijft dat waterdruppels aan het oppervlak van een hagelsteen kunnen vastvriezen. Bevriest het water snel, dan kunnen luchtbelletjes opgesloten raken en ontstaat een witte, troebele ijslaag. Als het langzamer bevriest, kunnen de belletjes ontsnappen en wordt de laag helderder. Een steen kan daardoor zowel heldere als witte zones hebben.
Waarom zijn sommige hagelstenen wit en andere doorzichtig?
De laagjes vertellen iets over de omstandigheden waarin een steen groeide, niet simpelweg hoe vaak hij op en neer ging. Bij een snelle bevriezing blijven kleine luchtbelletjes in het ijs achter; dat maakt het ijs wit en ondoorzichtig. Bij langzamere bevriezing kunnen de belletjes ontsnappen, zodat het ijs helderder is. De steen kan onderweg door gebieden met verschillende temperaturen en hoeveelheden vloeibaar water bewegen.
Een hagelsteen hoeft daarvoor niet telkens helemaal naar de top en terug te reizen. Volgens de National Severe Storms Laboratory spelen ook horizontale luchtstromen een rol: die kunnen een steen zijwaarts verplaatsen, bijvoorbeeld rond een stijgstroom. De route door de wolk is dus niet noodzakelijk een eenvoudige heen-en-weerbeweging. Dat is ook waarom het tellen van ijslagen geen betrouwbare manier is om het aantal volledige op-en-neerbewegingen vast te stellen.
Waarom groeit de ene hagelsteen groter dan de andere?
Een steen kan alleen doorgroeien zolang hij vloeibare waterdruppels ontmoet en lang genoeg in een geschikt deel van de wolk blijft. Een sterke stijgstroom kan deeltjes langer omhoog houden, maar de precieze route en de verdeling van water en lucht verschillen van bui tot bui. De grootte volgt dus niet uit één enkele factor. Ook de beweging door de wolk en de tijd die beschikbaar is voor aangroei tellen mee.
In de Nederlandse uitleg van het KNMI zijn hagelstenen bij harde zomerhagel vaak kleiner dan 1 centimeter in doorsnede. Bij bijzonder zware buien kunnen ze groter worden dan 5 centimeter. Korrelhagel is een andere vorm: die bestaat uit witte, poreuze korrels van enkele millimeters. Het zijn bruikbare ordegroottes, geen voorspelling voor een afzonderlijke bui. De uiteindelijke grootte hangt af van de omstandigheden in die specifieke wolk.
Wat is het verschil tussen hagel en sneeuw?
Hagel groeit in sterke buienwolken, waar luchtstromen waterdeeltjes door koude en warmere zones kunnen voeren. Sneeuwvlokken vormen zich als ijskristallen in wolken en kunnen uitgroeien doordat waterdamp direct op die kristallen bevriest. Dat zijn verschillende groeiprocessen. Hagel bestaat uit compacte ijsstenen, terwijl sneeuwvlokken uit kristallen zijn opgebouwd en vaak vertakte vormen hebben.
Ook korrelhagel moet niet met harde hagel worden verward. Volgens het KNMI komt korrelhagel vooral voor in buien bij koud weer, meestal in het winterhalfjaar, en bestaat die uit kleine witte korrels met relatief veel lucht. Harde hagel komt doorgaans voor in stevige buien en kan grotere, compacte stenen opleveren. Tussen de twee vormen bestaan overgangsvormen; neerslag past niet altijd netjes in één categorie.
Wanneer valt een hagelsteen uit de wolk?
Tijdens de groei houdt de stijgende lucht de steen geheel of gedeeltelijk omhoog. Wanneer de steen te zwaar wordt voor die luchtstroom, of wanneer de stijgstroom verzwakt, begint hij te vallen. De zwaartekracht trekt hem naar beneden. Kleinere stenen kunnen door horizontale wind verder van de sterkste stijgstroom worden weggeblazen; grotere stenen vallen volgens de National Severe Storms Laboratory vaker dichter bij die stijgstroom.
De weg naar de grond bepaalt mede wat iemand beneden ziet. Een hagelsteen kan onderweg in warmere lucht deels smelten. Een forse steen kan zijn vaste vorm langer behouden dan een kleine, maar de temperatuur en de afstand door warmere lucht spelen ook mee. Daardoor kan hagel vallen terwijl het aan de grond niet vriest. De plaatselijke temperatuur vertelt dus niet rechtstreeks welke omstandigheden hoger in de wolk heersen.
Een hagelbui ontstaat uiteindelijk uit een combinatie: een buienwolk met sterke stijgende lucht, voldoende onderkoeld vloeibaar water, ijsdeeltjes die kunnen aangroeien en een luchtstroom die de stenen lang genoeg in het groeigebied houdt. Valt een steen uit de wolk, dan is dat het zichtbare eindpunt van dat proces, niet het begin ervan.