Waarom de wind boven het strand anders waait dan boven zee
Fiets je van het strand de duinen in, dan voel je het meteen: de wind gedraagt zich anders. Boven zee waait het vaak gelijkmatig, maar zodra de lucht over land stroomt, wordt de wind onrustiger en wisselt hij van richting en kracht. Onderzoekers hebben nu een verbeterd rekenmodel ontwikkeld dat dit soort veranderingen preciezer kan voorspellen.
Dat klinkt misschien als een detail, maar het is belangrijk voor bijvoorbeeld windenergie. Windturbines op land staan namelijk in een heel andere luchtstroom dan turbines op zee. Ook voor weersvoorspellingen is het nuttig om te weten hoe wind zich gedraagt als hij van het ene oppervlak naar het andere overgaat, bijvoorbeeld van water naar land, of van een bos naar een open veld.
Een onzichtbare laag boven de grond
Wanneer lucht van een glad oppervlak (zoals zee) naar een ruw oppervlak (zoals land met bomen en gebouwen) stroomt, ontstaat er een nieuwe laag lucht die zich aanpast aan de nieuwe ondergrond. Wetenschappers noemen dit de "interne grenslaag". Deze laag groeit naarmate de lucht verder over het nieuwe oppervlak reist, een beetje zoals rimpelingen die groter worden als je een steen in het water gooit.
Het is lastig om precies te berekenen hoe hoog deze laag wordt, en hoe de windsnelheid daarbinnen verandert. Bestaande modellen gingen ervan uit dat de turbulentie, de onregelmatige wervelingen in de lucht, alleen bepaald wordt door het oppervlak waar de lucht vandaan komt. Ook namen ze aan dat een bepaald verschil in windsnelheid steeds hetzelfde blijft, ongeacht hoe ver de lucht al over het nieuwe oppervlak heeft gereisd. Dat bleek niet te kloppen.
Het nieuwe model
Eén onderzoeksteam ontwikkelde daarom een verbeterd model. Dit model combineert drie verschillende lagen in de berekening van de windsnelheid met een aangepaste manier om te berekenen hoe snel de interne grenslaag groeit. Het houdt nu wel rekening met de verandering van turbulentie over afstand, en met de invloed van zowel het oude als het nieuwe oppervlak.
De onderzoekers testten hun model aan de hand van twaalf verschillende datasets. Dat waren metingen uit windtunnels, kleine testruimtes waarin je luchtstromen kunt nabootsen, en uit computersimulaties die luchtstromen tot in detail berekenen. De situaties liepen sterk uiteen: van glad naar ruw oppervlak en andersom, met allerlei verhoudingen in ruwheid.
Het resultaat: het nieuwe model voorspelde in al deze gevallen nauwkeurig hoe de wind zich gedroeg vlak boven de grond, hoe hoog de interne grenslaag werd, en hoe de gemiddelde windsnelheid veranderde. Daarmee presteerde het beter dan drie andere bestaande modellen waarmee het werd vergeleken.
Wat betekent dit (nog) niet: Dit is een verbetering van een rekenmodel, geen nieuwe natuurwet. Het model is getest onder specifieke, neutrale omstandigheden (zonder grote temperatuurverschillen in de lucht), niet onder alle mogelijke weersomstandigheden. Het gaat hier ook om één onderzoeksteam dat zijn model vergeleek met bestaande data, niet om een breed geaccepteerde nieuwe standaard binnen het vakgebied. Toekomstig onderzoek zal moeten uitwijzen hoe goed het model werkt in nog complexere, realistische situaties.