Hagl, sludd, snø: Nedbørens vitenskaplige hemmelighet

Skyen – En kjemifabrikk i lufta

La oss starte helt enkelt: hva er en sky? Det er en samling av milliarder små vanndråper eller iskrystaller som flyter rundt i atmosfæren. Men det som virker enkelt på overflaten, er faktisk et komplekst system av termodynamikk, krystallografi og fysisk kjemi.

En typisk kumulussky inneholder omkring 300 millioner vanndråper per kubikkmeter! Hver av disse små dråpene er mindre enn 20 mikrometer i diameter. De blir dannet når vanndam i lufta kondenserer på såkalte "kondensasjonskinne" – små partikler av salt, støv eller annen forurensning som svever i lufta.

Siden oppstarte disse dråpene fra et område med høy luftfuktighet, typisk over hav, over våte skoger eller over urbane områder med mye utslipp. Når varm, fuktig luft blir tvunget oppover (enten over fjell eller fordi den er varmere enn omgivelsene), utvider den seg og avkjøles. Når temperaturen faller til duggpunktet, begynner vanndampen å kondensere.

Det er som når du pustet på et kalt speil – damen blir til en thin film av dråper. Men i atmosfæren oppstår dette på gigantisk skala, og prosessen er langt mer kompleks.

Regn – Den klassiske nedbørtypen

Regn er den mest kjente nedbørtypen for folk flest. Det oppstår når små vanndråper i skyen kolliderer og fusjonerer, og blir progressivt større. En regndråpe er typisk omkring 2-5 millimeter i diameter – omkring 100 ganger større enn en skydråpe.

Prosessen heter koalesiering, og det handler om at dråper ikke "limes" sammen på en magisk måte. I stedet detter større dråper raskere enn mindre, så de fanger opp de mindre dråpene på sin vei. Over tid vokser enkelte dråper til og blir tunga regndråper som til slutt blir så tunge at de faller ut av skyen som regn.

Regn oppstår typisk i skyer som har en stor vertikal utstrekning og som inneholder mye vanndamp. Tropiske cumulonimbus-skyer (tordenskyer) er mestrene – de kan ha regndråper som er større enn 10 millimeter, og noen få mega-dråper kan være så store som 20 millimeter eller mer.

Det handler også mye om temperaturprofilen. Når det er varmt hele veien opp i skyen, forblir vanndråpene som... vel, vanndråper. Det er ikke kaldt nok til at isen skal begynne å dannes, så du får bare regn.

Sludd – Mellomtilstanden

Sludd er interessant fordi det er egentlig en mekanisk blanding av snø og regn. Men det er ikke like enkelt som "det blir litt kaldt og regnen blir til snø."

Det oppstår når regndråper faller fra en varm sky, men møter et kaldt luftlag nær bakken. Regnen fryser delvis, mens det fortsatt faller. Du får således små iskrystaller eller isbelegg på regndråper – en slushy-lignende substans.

Det oppstår oftest ved temperaturgrenser – typisk omkring -2°C til +2°C. Hvis det blir litt varmere, blir det bare regn. Hvis det blir litt kaldere, blir det ren snø. Men i mellomzonen får du sludd – som alle nordmenn vet, er det det mest irriterende, glatte og foruffelikkelig værtypen du kan få.

En interessant vitenskaplig detalj: når sludd faller, kan det faktisk være varmere i slasenen enn på bakken. Det er fordi den latente varmen fra fryseprosessen frigjør varme som holder økningen varm. Men den varmen forsvinner raskt når islaget berører bakken, og derfor er det så glatt og farlig.

Snø – Krystallenes kunstmester

Snø dannes når vanndamp direkte går fra gass til fast stoff (sublimering) innen iskrystaller i en sky. Dette skjer typisk ved temperaturer under -12°C. Når det er så kaldt, kondenserer vanndampen ikke først til flytende vann – den blir direkte til is.

Hver snøkrystall vokser rundt en liten kjerne av støv eller salt. Vanndampen i lufta legger seg molekyle for molekyle på krystallen, og den vokser. Formen på krystallen bestemmes av den eksakte temperaturen og fuktigheten. Ved -15°C får du typisk sekskantede «stavkrystaller». Ved -20°C får du skjellformede plates.

Det er faktisk sant at hver snøkrystall er unik – eller i det minste ekstremt usannsynlig at to skulle danne seg helt identiske. Det er fordi vekstbetingelsene varierer mikroskopisk fra krystall til krystall, og en snøkrystall har omkring 10^18 mulige konfigurasjoner.

Snø er også interessant fordi det er svært «tørt» i sitt vesenlige aspekt – det består av omkring 90 % luft. Det er luftlommene som gjør snøen hvit (lyset spres av alle de små iskrystallene), og det er luftlommene som gjør det mulig å gå på snø uten å synke helt ned.

Hagl – Naturen på sitt villeste

Hagl er det mest dramatiske nedbørfenomenet. Det oppstår i ekstreme tordenskyer (cumulonimbus) hvor kraftige oppadgående luftstrømmer (updrafts) kan nå hastigheter på 50+ m/s – raskere enn jet-fly!

Det starter som en vanlig regndråpe, men den blir fanget av en oppadgående luftstrøm og fraktet høyt opp i atmosfæren. Deroppe er det iskaldt – det kan være -40°C eller kaldere. Regndråpen fryser til en liten iskule. Men her stopper det ikke.

Iskula blir så tunger at den begynner å falle nedover, men på veien møter den en ny oppadgående luftstrøm som fanger den igjen. Og så blir den dratt enda høyere opp, hvor mer vanndam fryser på overflaten. Dette kan skje 5, 10, 15 ganger eller mer!

Hver gang iskula passerer gjennom lag av en viss temperatur og fuktighet, legges ett nytt lag is på. Etter mange slike "reiser" opp og ned, kan en haglstein vokse til størrelse av en baseball eller større. En gigantisk haglsten som falt i South Dakota i 2010 var omkring 20 cm i diameter.

Tall og trender fra atmosfæren

En gjennomsnittlig sky inneholder omkring 300 millioner vanndråper per kubikkmeter. En regndråpe er omkring 100 ganger større enn en skydråpe. Snøkrystaller kan dannes ved temperaturer helt ned til -40°C, men de vanligste temperaturene for snødannelse er mellom -15°C og -25°C. Haglstein kan vokse til størrelse av baseball eller større – den største påviste haglstenen var omkring 20 cm i diameter. Regn faller typisk med en hastighet på omkring 2-9 m/s, mens hagl faller mye raskere: 30-50 m/s eller mer.