In de wolken

Brieven weer. En voor de derde maal in successie aandacht voor de koolzuurbelletjes die in een zojuist ingeschonken glas bier opstijgen. Op 16 december was erop gewezen dat de belletjes in koud bier veel langzamer lopen dan in warm bier. De stelling was dat dat een viscositeitseffect was: warm bier is minder visceus, minder stroperig, dan koud bier. Maar een rioolwaterdeskundige meende dat het net zo goed kon liggen aan het sneller aangroeien van de gasbellen in warm bier. Grote bellen lopen harder.

Een lezer in Capelle gaf de eerste stelling met een berekening steun (6/1). Maar toen was er de lezer in Munstergeleen (17/2) die, dezelfde formule van Stokes hanterend, tot de conclusie kwam dat de gevonden stijgsnelheden helemaal niet met de gemeten beldiameters in overeenstemming waren. Daarna stond het vraagstuk weer helemaal open.

Nu is het raadsel opgelost en dat is te danken aan een indrukwekkende inspanning van leerlingen van de eindexamenklas van het atheneum in Waddinxveen. Zij maakten het bellenprobleem tot onderwerp van het praktisch schoolonderzoek natuurkunde. Daarbij is, anders dan bij het onderzoek van het AW-team dat graag de grote lijn aanhoudt, geen gemillimeter gemeden.

Eelco Elzenga en Martijn Tromp bepaalden met grote precisie en in veelvoud afmetingen en stijgsnelheden van gasbelletjes in drie biersoorten (Heineken, Tarwebok en Amstel Malt) bij vier verschillende temperaturen ( 1, 7, 19 en 41 graden) en maten bovendien de viscositeit van de gekozen biersoorten relatief ten opzichte van die van water (waarvoor een tabelwaarde werd gekozen). Dat laatste met een Ubbelohde-viscosimeter die niet in elk huis-tuin-en-keuken laboratorium te vinden zal zijn. (Het is een capillair-viscosimeter die viscositeitsverschillen uitdrukt in verschillen in leegstroomtijd). Voor het meten van de stijgsnelheden is een heel elegante methode gekozen. Het borrelen van de te beschouwen biersoort werd, tegelijk met een lopende stopwatch, op videoband vastgelegd. Daarna kon in alle rust elke willekeurige bel op zijn gang van glasbodem naar bieroppervlak worden gevolgd.

Vrijwel onweerlegbaar is na dit werk de conclusie dat de veranderingen in stijgsnelheden zijn toe te schrijven aan veranderingen in viscositeit. Dat hoeft de lezer in Munstergeleen zich niet aan te trekken: het blijkt dat de bierbellen in werkelijkheid wat andere afmetingen en snelheden hadden dan van AW-wege werd opgegeven en ook - of vooral - dat men er verkeerd aan doet aan te nemen dat bier wel zo'n beetje dezelfde visositeit heeft als water. Bier is veel stroperiger. Het stroperigst is Tarwebok dat tegelijk ook het hoogste alkoholgehalte bezit. Een samenhang ligt voor de hand en inderdaad heeft alkohol (anders dan bij voorbeeld methanol, aceton en ether) een hogere viscositeit dan water.

Op 24 februari kwam hier, in de laatste dagen van een vorstperiode, de vraag aan de orde waarom bij felle kou veel schoorstenen van elektriciteitscentrales wel 'roken' en schoorstenen van woningen niet. Terwijl vaak in beide gevallen aardgas wordt verstookt. Een waarneming trouwens die ook na de vorstperiode geldig bleef. Verwijzend naar literatuur die het probleem in extenso (maar kwalitatief) behandelt moest worden vastgesteld dat vermenging van vochtige, warme lucht met koelere buitenlucht maar in relatief zeldzame gevallen luchtsoorten oplevert waarin zoveel oververzadiging bestaat dat condensatie optreedt. Hoe subtiel dat ligt is te zien aan de eigen adem die op de vreemdste moment zichtbaar wordt.

Het leverde een brief op van een lezer in Naarden die aan de hand van een collegedictaat thermodynamica uit 1965 een gedegen theoretische onderbouwing gaf aan de waarneming. Maar hoe sterk de klassieke thermodynamica ook is in het 'verbieden' van bepaalde gebeurtenissen, zij is notoir zwak als zij bepaalde overgangen mogelijk noemt. Vaak blijkt een voorspelde gang van zaken in de praktijk uit te blijven omdat hij oneindig langzaam verloopt of omdat een onverwacht hoge oververzadiging mogelijk is. In het onderhavige geval zou er wel eens een doorslaggevende rol kunnen zijn voor de condensatiekernen (cloud condensation nuclei, CCN's) waaraan in de meteorologie zoveel belang wordt toegeschreven. Zonder voldoende condensatiekernen treedt pas bij zeer grote oververzadiging condensatie op. Juist aan proeven met die condensatiekernen ontleent het geciteerde boekje 'Clouds in a glass of beer' van Craig Bohren zijn naam. Het is aannemelijk dat de uitlaatgassen van een auto meer condensatiekernen bevatten dan de adem van mens of dieren.

In Scientific American van februari wordt beschreven hoe de aardse troposfeer, door de toegenomen industrialisatie, steeds meer antropogene condensatiekernen bevat in de vorm van druppeltjes ammoniumsulfaat: sulfaataerosol. Zonder in detail te treden meldt het blad dat wordt aangenomen dat sulfaataerosol - ook - het reflecterend vermogen van wolken verhoogt. Kennelijk zijn dus sulfaatwolken witter dan gewone wolken. Lang geleden is in deze rubriek gefilosofeerd over de vraag of kleurverschillen tussen wolken, zoals gewoonlijk beweerd wordt, uitsluitend aan schaduwwerking zijn toe te schrijven. Een enkele uitzondering daargelaten moest de conclusie zijn: ja. Verschil in druppelgrootte zou geen effect op de kleur hebben. Nu blijken er toch witte en wittere wolken te zijn. Wolken die veel kleine waterdruppeltjes bevatten, zoals is te verwachten bij een ruim aanbod van CCN's, zijn witter dan wolken met een lager aantal grotere druppels (maar overigens dezelfde hoeveelheid water per volume). Een geraadpleegde KNMI-onderzoeker meldt dat wordt aangenomen dat verhoging van het aantal CCN's met 30 procent het reflecterend vermogen van wolken met 2 procent doet stijgen. “Dat is te weinig om het verschil zichtbaar te krijgen.” Voor de AW-redactie is het voldoende.

    • Karel Knip