Om klimaatverandering goed te begrijpen, is het noodzakelijk te doorgronden hoe wolken ontstaan en verdwijnen. Maar daar is nu juist vrijwel niets over bekend. Met een meetcampagne proberen Delftse onderzoekers aan die onwetendheid een eind te maken.

De zon schijnt fel op de tweehonderd meter hoge toren van klimatologisch onderzoekscentrum Cabauw in Lopik. Schapen zoeken een spaarzaam stukje schaduw op en liggen rustig in de wei uit te hijgen. Vrijwel iedereen in Nederland is blij met de eerste week warm weer. “Behalve ik”, zegt wolkenonderzoeker dr. Herman Russchenberg van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) en radarinstituut IRCTR. “Dit is voor ons heel slecht weer. Er is geen wolkje aan de lucht. Waarschijnlijk baal ik daar als enige Nederlander van.”In Cabauw onderzoekt het consortium Cesar (Cabauw experimental site for atmospheric research), een samenwerking van onder meer de TU Delft, KNMI, RIVM en Universiteit Utrecht, vanaf 2002 wolken. Deze maand is er een intensieve meetcampagne waarbij naast een lidar en een radar een helikopter en vliegtuig worden ingezet. Een lidar is een soort radar die meet met behulp van lichtstralen. Russchenberg en zijn collega’s willen in kaart brengen hoe wolken ontstaan. Want dat stelt de wetenschap nog steeds voor raadsels. Er wordt specifiek gekeken naar de invloed van aerosolen, stofdeeltjes die ontstaan door de roetuitstoot van auto’s en industrie. Maar dan zijn er wel wolken nodig om te onderzoeken.“In de berekeningen van de invloed van het broeikaseffect zit een heel grote foutmarge”, zegt dr. Reinout Boers van het KNMI en verantwoordelijk voor de site van Cabauw. “Men denkt dat het deze eeuw twee graden warmer wordt, maar dat weet men niet zeker. De grote foutmarges worden gecreëerd door de wolken. Ons doel is om die foutmarge flink te verkleinen door ons onderzoek deze maand. Daarvoor is zowel theoretisch als experimenteel onderzoek nodig. Nederland is een waterland en daarom is het juist voor ons belangrijk om wolken te begrijpen. Moeten dijken verhoogd worden en riolen groter gemaakt worden omdat er meer regen zal vallen? Ook voor onze veiligheid hangt veel van het onderzoek naar wolken af.”SleutelrolWolken spelen volgens de onderzoekers dus een sleutelrol in klimaatverandering, door de invloed van stofdeeltjes op wolken. “Waterdamp in een wolk kan vloeibaar worden als het condenseert. Voor condenseren is oppervlakte nodig”, zegt senior onderzoeker ir. Arnoud Apituley van het RIVM (Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu). “Aerosolen zorgen voor dat oppervlak. Als er heel veel kleine stofdeeltjes zijn, ontstaan heel veel kleine druppels. De hoeveelheid water in een wolk is niet noodzakelijk anders in een wolk met veel stofdeeltjes, maar er vallen wel meer kleinere druppels. En het belangrijkste gevolg is dat de wolk witter wordt. Daardoor weerkaatst hij veel meer zonlicht dan een natuurlijke wolk. Dat heeft een koelend effect. Dat heeft natuurlijk veel invloed op het klimaat.”Apituley, die technische natuurkunde in Delft studeerde, onderzoekt de samenstelling van wolken en de hoeveelheid stofdeeltjes met een gepulste laser . de Raman-lidar. "Daarmee kijken we naar lichtecho’s in de atmosfeer. De laser maakt een lichtflits, die botst tegen de wolk en keert weer terug. De lidar meet de hoeveelheid roetdeeltjes en geeft de dikte van de roetdeeltjes aan . een dik deeltje weerkaatst meer licht dan een dunne.”De lidar maakt duidelijk welke stofdeeltjes in een wolk zitten. Maar het apparaat heeft geen zicht op de hele wolk. Daarvoor komt de radar van de TU Delft van pas. Russchenberg installeerde vorig jaar een radar boven op de mast van Cabauw. Deze radar kan bij dichte bewolking wel bovenin een wolk kijken, een lidar niet. Een lidar ziet weer alleen de druppels, die te klein zijn om waar te nemen met de radar.“Zonder samenwerking is het vrijwel onmogelijk om goed onderzoek naar wolken te doen”, zegt Russchenberg. KNMI beheert de site, het RIVM levert de lidar en de TU de radar. “We moeten elkaar wel aanvullen, want we hebben elkaars meetapparaten nodig. Anders zien we bijvoorbeeld alleen de omvang van de wolk, maar kunnen we niet zien uit hoeveel stofdeeltjes de wolk bestaat.” Wolken zijn net puzzels, waarbij je alleen met alle apparaten de juiste stukjes kan krijgen.AdembenemendBoven op de tweehonderd meter hoge mast, bereikbaar dankzij een tien minuten durende rit in een benauwde tweepersoonslift, is het uitzicht adembenemend. De Lek meandert langs Lopik richting Schoonhoven. De schapen zijn piepkleine stipjes, bootjes varen over het water. Op de mast waaien weermeters als propellers rond. Helemaal boven op staat de trots van Russchenberg: de radar. Die bestaat uit twee witte ronde delen met een diameter van een meter die langzaam ronddraaien. “Iedere minuut draait hij een keer rond”, zegt hij. “De radar heeft een bereik van vijftien kilometer. Hij stuurt radiosignalen de lucht in, en hoe meer (grote) druppels er zijn, hoe meer signaal terugkomt.” Met de lidar en radar kijken Russchenberg en Apituley van onderaf naar de wolken. “Op zo’n vijftig dagen per jaar na”, zegt Russchenberg. “Want dan is er laaghangende bewolking, en zit je met de radar midden in de wolk. Dan kun je echt secuur de wolk meten.”Idealiter zouden de onderzoekers vaker een kijkje in de wolk nemen en in de wolk hun apparatuur loslaten. Dat kan deze maand. De mast geeft een goed uitzicht op een knalrode helikopter waar een gondel vol met meetapparatuur onder zit. De gondel is bijna twee meter lang, een kleine meter breed en een halve meter hoog. Daarmee wordt een maand lang door wolken gevlogen. Zo kun je net als bij de laaghangende bewolking, heel nauwkeurig in de wolk kijken. De gondel meet de hoeveelheid en grootte van de druppels en de windvariatie in de wolk. In de gondel zit een buis, die door de wolk heen wordt gevlogen. Wolkendruppels verzamelen zich in de buis en die worden vanaf de zijkant met laserbundels beschoten. Aan de andere kant vangt de detector wat van de laserstraal over is op, en zo bepaalt het team van onderzoekers de dikte en grote en de hoeveelheid van druppels van een bepaalde grootte.“Ik hoop er met de metingen door de helikopter vooral achter te komen hoeveel druppels er in een wolk zitten”, zegt Russchenberg. “Volgens mij klopt de huidige interpretatie van de radargegevens niet. Nu gaat de standaardtheorie er vanuit dat elke druppel een beetje licht terugkaatst. Maar ik denk dat je niet elke druppel apart moet tellen, maar juist het signaal dat ze als cluster van een paar millimeter weerkaatsen. Ik heb al een nieuw model ontwikkeld, dat we ook in het Zwarte Woud hebben gebruikt, waar we vorig jaar hebben gemeten. Mijn methode komt beter overeen met de resultaten dan de standaardtheorie. De meting van de helikopter kan mijn verstrooiingstheorie bevestigen.”In mei zullen niet alleen in Cabauw metingen plaatsvinden. De metingen van consortium Cesar vinden plaats onder de vlag van Eucaari (European integrated project on aerosol cloud climate air quality interactions). Dit is een internationaal samenwerkingsverband dat de invloed van stofdeeltjes in kaart wil brengen. Vliegtuigen en helikopters vliegen daarom deze maand over heel Europa. Deze langeafstandsvluchten gaan, afhankelijk van de windrichting, van West- naar Oost-Europa en van Finland naar Zuid-Frankrijk. Russchenberg: “Wat wij onderzoeken in Cabauw gaat over de situatie in een omtrek van twintig kilometer rond onze meetmast. We hopen meer inzicht te krijgen op de vraag hoe lang een wolk leeft.”Apituley vult hem enthousiast aan: “Die vluchten zijn echt een verrijking. Vanaf de Noordzee komt schone lucht Nederland binnen, daarna komt er vervuiling in de atmosfeer, die ontwikkelt zich chemisch en fysisch naarmate de stofdeeltjes in de lucht ouder worden. Delen verdampen en er komt vocht bij. Omdat de vliegtuigen steeds door de wolken gaan, kun je wolken blijven volgen en ook een stuk verderop kijken hoe wolken er dan uitzien. Dat konden we tot nog toe niet.”SchimmenspelAan het eind van de ochtend ontstaan de eerste witte vlekken in de lucht. Apituley wijst gefascineerd naar een kleine vlok wolk. Aan de bovenkant lijkt een stevige wolk te ontstaan. Daaronder zit een witte waas. “Waar begint deze wolk? Het is erg lastig om met het blote oog de overgang te zien”, zegt Apituley. Boers vult aan: "Je denkt dat de wolk druppelsgewijs ontstaat. Dat de nevel, die onder de wolk hangt, langzaamaan in de wolk opgaat. Maar dat is niet zo. Als wij onze gegevens bekijken ontstaat een wolk opeens. Boem! En er is een wolk.’ Russchenberg kijkt nog eens goed met samengeknepen ogen. “Volgens mij is dit helemaal geen wolk.” Apituley lacht en zegt: "Het RIVM vindt van wel.”De discussie tussen de wolkenspecialisten geeft aan hoe lastig het is vast te stellen wanneer, waar en hoe een wolk begint. Het blijft, zelfs met hypermoderne apparatuur, een schimmenspel. Al maakt de apparatuur het onderzoek wel een stuk eenvoudiger. “Maar de vraag blijft wanneer neem je het besluit neemt dat het een wolk is”, zegt Boers. “Als de vochtigheid in dat deel van de lucht 95 procent is, heb je dan een wolk?” Maar soms ontsnapt de wolk toch nog aan de onderzoekers. Boers: “We zien wel eens wolken die zomaar ontstaan en vrijwel direct verdwijnen op dezelfde plek.”Symbolisch genoeg is de wolk waar Apituley, Russchenberg en Boers over discussieerden na een paar minuten weer verdwenen. Het enige dat nog aan de hemel te zien is, is een fel schijnende zon. Russchenberg kijkt er meewarig naar. “Laten we hopen dat het nog flink bewolkt wordt deze maand.”(Foto's: Sam Rentmeester/FMAX)

De zon schijnt fel op de tweehonderd meter hoge toren van klimatologisch onderzoekscentrum Cabauw in Lopik. Schapen zoeken een spaarzaam stukje schaduw op en liggen rustig in de wei uit te hijgen. Vrijwel iedereen in Nederland is blij met de eerste week warm weer. “Behalve ik”, zegt wolkenonderzoeker dr. Herman Russchenberg van de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI) en radarinstituut IRCTR. “Dit is voor ons heel slecht weer. Er is geen wolkje aan de lucht. Waarschijnlijk baal ik daar als enige Nederlander van.”In Cabauw onderzoekt het consortium Cesar (Cabauw experimental site for atmospheric research), een samenwerking van onder meer de TU Delft, KNMI, RIVM en Universiteit Utrecht, vanaf 2002 wolken. Deze maand is er een intensieve meetcampagne waarbij naast een lidar en een radar een helikopter en vliegtuig worden ingezet. Een lidar is een soort radar die meet met behulp van lichtstralen. Russchenberg en zijn collega’s willen in kaart brengen hoe wolken ontstaan. Want dat stelt de wetenschap nog steeds voor raadsels. Er wordt specifiek gekeken naar de invloed van aerosolen, stofdeeltjes die ontstaan door de roetuitstoot van auto’s en industrie. Maar dan zijn er wel wolken nodig om te onderzoeken.“In de berekeningen van de invloed van het broeikaseffect zit een heel grote foutmarge”, zegt dr. Reinout Boers van het KNMI en verantwoordelijk voor de site van Cabauw. “Men denkt dat het deze eeuw twee graden warmer wordt, maar dat weet men niet zeker. De grote foutmarges worden gecreëerd door de wolken. Ons doel is om die foutmarge flink te verkleinen door ons onderzoek deze maand. Daarvoor is zowel theoretisch als experimenteel onderzoek nodig. Nederland is een waterland en daarom is het juist voor ons belangrijk om wolken te begrijpen. Moeten dijken verhoogd worden en riolen groter gemaakt worden omdat er meer regen zal vallen? Ook voor onze veiligheid hangt veel van het onderzoek naar wolken af.”SleutelrolWolken spelen volgens de onderzoekers dus een sleutelrol in klimaatverandering, door de invloed van stofdeeltjes op wolken. “Waterdamp in een wolk kan vloeibaar worden als het condenseert. Voor condenseren is oppervlakte nodig”, zegt senior onderzoeker ir. Arnoud Apituley van het RIVM (Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu). “Aerosolen zorgen voor dat oppervlak. Als er heel veel kleine stofdeeltjes zijn, ontstaan heel veel kleine druppels. De hoeveelheid water in een wolk is niet noodzakelijk anders in een wolk met veel stofdeeltjes, maar er vallen wel meer kleinere druppels. En het belangrijkste gevolg is dat de wolk witter wordt. Daardoor weerkaatst hij veel meer zonlicht dan een natuurlijke wolk. Dat heeft een koelend effect. Dat heeft natuurlijk veel invloed op het klimaat.”Apituley, die technische natuurkunde in Delft studeerde, onderzoekt de samenstelling van wolken en de hoeveelheid stofdeeltjes met een gepulste laser . de Raman-lidar. "Daarmee kijken we naar lichtecho’s in de atmosfeer. De laser maakt een lichtflits, die botst tegen de wolk en keert weer terug. De lidar meet de hoeveelheid roetdeeltjes en geeft de dikte van de roetdeeltjes aan . een dik deeltje weerkaatst meer licht dan een dunne.”De lidar maakt duidelijk welke stofdeeltjes in een wolk zitten. Maar het apparaat heeft geen zicht op de hele wolk. Daarvoor komt de radar van de TU Delft van pas. Russchenberg installeerde vorig jaar een radar boven op de mast van Cabauw. Deze radar kan bij dichte bewolking wel bovenin een wolk kijken, een lidar niet. Een lidar ziet weer alleen de druppels, die te klein zijn om waar te nemen met de radar.“Zonder samenwerking is het vrijwel onmogelijk om goed onderzoek naar wolken te doen”, zegt Russchenberg. KNMI beheert de site, het RIVM levert de lidar en de TU de radar. “We moeten elkaar wel aanvullen, want we hebben elkaars meetapparaten nodig. Anders zien we bijvoorbeeld alleen de omvang van de wolk, maar kunnen we niet zien uit hoeveel stofdeeltjes de wolk bestaat.” Wolken zijn net puzzels, waarbij je alleen met alle apparaten de juiste stukjes kan krijgen.AdembenemendBoven op de tweehonderd meter hoge mast, bereikbaar dankzij een tien minuten durende rit in een benauwde tweepersoonslift, is het uitzicht adembenemend. De Lek meandert langs Lopik richting Schoonhoven. De schapen zijn piepkleine stipjes, bootjes varen over het water. Op de mast waaien weermeters als propellers rond. Helemaal boven op staat de trots van Russchenberg: de radar. Die bestaat uit twee witte ronde delen met een diameter van een meter die langzaam ronddraaien. “Iedere minuut draait hij een keer rond”, zegt hij. “De radar heeft een bereik van vijftien kilometer. Hij stuurt radiosignalen de lucht in, en hoe meer (grote) druppels er zijn, hoe meer signaal terugkomt.” Met de lidar en radar kijken Russchenberg en Apituley van onderaf naar de wolken. “Op zo’n vijftig dagen per jaar na”, zegt Russchenberg. “Want dan is er laaghangende bewolking, en zit je met de radar midden in de wolk. Dan kun je echt secuur de wolk meten.”Idealiter zouden de onderzoekers vaker een kijkje in de wolk nemen en in de wolk hun apparatuur loslaten. Dat kan deze maand. De mast geeft een goed uitzicht op een knalrode helikopter waar een gondel vol met meetapparatuur onder zit. De gondel is bijna twee meter lang, een kleine meter breed en een halve meter hoog. Daarmee wordt een maand lang door wolken gevlogen. Zo kun je net als bij de laaghangende bewolking, heel nauwkeurig in de wolk kijken. De gondel meet de hoeveelheid en grootte van de druppels en de windvariatie in de wolk. In de gondel zit een buis, die door de wolk heen wordt gevlogen. Wolkendruppels verzamelen zich in de buis en die worden vanaf de zijkant met laserbundels beschoten. Aan de andere kant vangt de detector wat van de laserstraal over is op, en zo bepaalt het team van onderzoekers de dikte en grote en de hoeveelheid van druppels van een bepaalde grootte.“Ik hoop er met de metingen door de helikopter vooral achter te komen hoeveel druppels er in een wolk zitten”, zegt Russchenberg. “Volgens mij klopt de huidige interpretatie van de radargegevens niet. Nu gaat de standaardtheorie er vanuit dat elke druppel een beetje licht terugkaatst. Maar ik denk dat je niet elke druppel apart moet tellen, maar juist het signaal dat ze als cluster van een paar millimeter weerkaatsen. Ik heb al een nieuw model ontwikkeld, dat we ook in het Zwarte Woud hebben gebruikt, waar we vorig jaar hebben gemeten. Mijn methode komt beter overeen met de resultaten dan de standaardtheorie. De meting van de helikopter kan mijn verstrooiingstheorie bevestigen.”In mei zullen niet alleen in Cabauw metingen plaatsvinden. De metingen van consortium Cesar vinden plaats onder de vlag van Eucaari (European integrated project on aerosol cloud climate air quality interactions). Dit is een internationaal samenwerkingsverband dat de invloed van stofdeeltjes in kaart wil brengen. Vliegtuigen en helikopters vliegen daarom deze maand over heel Europa. Deze langeafstandsvluchten gaan, afhankelijk van de windrichting, van West- naar Oost-Europa en van Finland naar Zuid-Frankrijk. Russchenberg: “Wat wij onderzoeken in Cabauw gaat over de situatie in een omtrek van twintig kilometer rond onze meetmast. We hopen meer inzicht te krijgen op de vraag hoe lang een wolk leeft.”Apituley vult hem enthousiast aan: “Die vluchten zijn echt een verrijking. Vanaf de Noordzee komt schone lucht Nederland binnen, daarna komt er vervuiling in de atmosfeer, die ontwikkelt zich chemisch en fysisch naarmate de stofdeeltjes in de lucht ouder worden. Delen verdampen en er komt vocht bij. Omdat de vliegtuigen steeds door de wolken gaan, kun je wolken blijven volgen en ook een stuk verderop kijken hoe wolken er dan uitzien. Dat konden we tot nog toe niet.”SchimmenspelAan het eind van de ochtend ontstaan de eerste witte vlekken in de lucht. Apituley wijst gefascineerd naar een kleine vlok wolk. Aan de bovenkant lijkt een stevige wolk te ontstaan. Daaronder zit een witte waas. “Waar begint deze wolk? Het is erg lastig om met het blote oog de overgang te zien”, zegt Apituley. Boers vult aan: "Je denkt dat de wolk druppelsgewijs ontstaat. Dat de nevel, die onder de wolk hangt, langzaamaan in de wolk opgaat. Maar dat is niet zo. Als wij onze gegevens bekijken ontstaat een wolk opeens. Boem! En er is een wolk.’ Russchenberg kijkt nog eens goed met samengeknepen ogen. “Volgens mij is dit helemaal geen wolk.” Apituley lacht en zegt: "Het RIVM vindt van wel.”De discussie tussen de wolkenspecialisten geeft aan hoe lastig het is vast te stellen wanneer, waar en hoe een wolk begint. Het blijft, zelfs met hypermoderne apparatuur, een schimmenspel. Al maakt de apparatuur het onderzoek wel een stuk eenvoudiger. “Maar de vraag blijft wanneer neem je het besluit neemt dat het een wolk is”, zegt Boers. “Als de vochtigheid in dat deel van de lucht 95 procent is, heb je dan een wolk?” Maar soms ontsnapt de wolk toch nog aan de onderzoekers. Boers: “We zien wel eens wolken die zomaar ontstaan en vrijwel direct verdwijnen op dezelfde plek.”Symbolisch genoeg is de wolk waar Apituley, Russchenberg en Boers over discussieerden na een paar minuten weer verdwenen. Het enige dat nog aan de hemel te zien is, is een fel schijnende zon. Russchenberg kijkt er meewarig naar. “Laten we hopen dat het nog flink bewolkt wordt deze maand.”(Foto's: Sam Rentmeester/FMAX)