Laagfrequent geluid voor tornadowaarschuwingen

Tornado’s zijn een van de gevaarlijkste vormen van extreem weer, en kunnen plotseling verschijnen en veel schade veroorzaken. Doordat tornado’s lastig te observeren én te verwachten zijn, zijn meteorologen voor waarschuwingen vaak afhankelijk van meldingen van ooggetuigen. Uit onderzoek blijkt dat laagfrequent geluid van tornado’s hierbij mogelijk kan helpen.

Tornado’s en windhozen
Een tornado is een snel draaiende kolom lucht onder een onweersbui die als een slurf over het aardoppervlak trekt en een spoor van vernieling kan achterlaten, zowel door de sterke wind als door rondvliegende objecten. De gemeten windsnelheden zijn meestal tussen 120 en 250 kilometer per uur en kunnen oplopen tot meer dan 300 km/u. De kracht van een tornado wordt uitgedrukt in de nieuwe schaal van Fujita (Enhanced Fujita-scale, EF) die loopt van 0 voor de lichtste tornado (windhozen) tot 5 voor de zwaarste. Tornado's komen vooral tijdens de lente in het centrale deel van de Verenigde Staten voor, gemiddeld zo'n duizend per jaar. Omdat tornado’s plotseling verschijnen (en verdwijnen) is het lastig om tegen dit gevaar te waarschuwen.

In Noordwest-Europa, waaronder Nederland, hebben we over het algemeen alleen met de lichtere wind- en waterhozen te maken. Deze hozen vormen zich vaak onder een goed ontwikkelde onweersbui, typisch in het tweede deel van de zomer. Toch hebben over de afgelopen decennia ook enkele grotere windhozen en valwinden in Nederland slachtoffers en veel schade veroorzaakt. Voorbeelden zijn die  op 1 juni 1927 bij Neede (kracht F4) en op 25 juni 1967 bij Chaam en Tricht (F3). Sommige uitbraken zijn onderdeel van een weersysteem dat een groter gebied beslaat. Zo werd op 3 en 4 augustus 2008 naast Nederland ook Noord-Frankrijk, Duitsland en Polen door tornado’s getroffen. Terwijl een F2 tornado in Groningen voor veel schade zorgde, werd het Franse Hautmont - op zo’n honderd kilometer van de Nederlandse grens - door een F4 tornado getroffen.

Het KNMI krijgt vaak meldingen van wind- en waterhozen en maakt er dan melding van in de berichtgeving. Tornado’s zijn niet nauwkeurig te verwachten. Ook wanneer specifieke weersomstandigheden die kunnen leiden tot tornadovorming zich voordoen is niet met zekerheid te zeggen  of tornado’s ook daadwerkelijk ontstaan.

Waarnemen van tornado’s
De nauwkeurige observatie van een tornado wordt bemoeilijkt doordat het weersysteem uiterst complex is en tornado’s een relatief kleine schaal hebben, in de orde van tientallen tot honderden meters. Het is bekend dat karakteristieken van een zogeheten 'supercel'-onweersbui die kan leiden tot een tornado kan worden gemeten met een Doppler radar (figuur 1). Directe metingen van de tornado’s zijn vaak niet mogelijk met het nationale weerradar netwerk omdat tornado’s te klein zijn en/of zich te dicht bij het aardoppervlak bevinden.

Figuur 1: Een observatie met een mobiele radar van een onweersbui in de Verenigde Staten waarin een tornado zich vormt, te zien aan de rotaties die zich aan de onderkant van de storm bevinden. Bron: Wikipedia, CC BY-SA 3.0 licentie​

Laagfrequente trillingen van tornado’s
Recent onderzoek van het National Center for Physical Acoustics laat zien dat infrageluid arrays, bestaande uit zeer gevoelige druksensoren voor de meting van laagfrequent geluid, aan de detectie van tornado’s kunnen bijdragen.Door meerdere sensoren dicht bij elkaar op te stellen (een array) kan de richting van het geluid worden bepaald (figuur 2). Het KNMI heeft infrageluid stations in Nederland die onderscheid kunnen maken tussen trillingen veroorzaakt door bronnen in de aarde en atmosfeer.


Figuur 2: Een opstelling van een infrageluid array in de Amerikaanse staat Alabama voor de detectie van infrageluid van tornadoes. Onder de piramidevormige windschermen zijn infrageluid sensoren opgesteld. Bron afbeelding: KNMI

Analyse van meetcampagnes uit 2011 en een 2018 suggereert dat tornado’s bronnen zijn van geluid in de frequentiebanden tussen 1-10 Hertz en 40-200 Hertz. De signalen in de 1-10 Hertz band konden tot zo’n honderd kilometer afstand van de bron worden gemeten omdat laagfrequent geluid weinig demping ondergaat en zich effectief in de atmosfeer kan voortplanten.

Alhoewel het infrageluid kon worden teruggevoerd tot het stormcomplex, bestaat er nog veel onduidelijkheid over het exacte bronmechanisme. Om infrageluid in te kunnen zetten als waarschuwingssysteem is het belangrijk om de karakteristieken van het geluid nader te onderzoeken.  Hier wordt actief onderzoek naar gedaan in samenwerking met tornado-experts.

De signalen in de hoorbare, laagfrequente band tussen 40-200 Hertz worden veroorzaakt door turbulentie die ontstaat door de interactie van de trechter met de grond. Deze karakteristiek kan mogelijk worden ingezet om te bepalen of een trechter al contact heeft gemaakt met de grond. In dat geval ontstaan er ook seismische golven, volgens recent seismisch onderzoek.

Tornado’s in een veranderend klimaat
Statistieken over het voorkomen van zware tornado’s over de afgelopen 60 jaar in Amerika laten geen eenduidige trend zien (figuur 3). Er is veel variabiliteit in de activiteit en historische datasets gaan slechts enkele decennia terug. Bovendien zijn tornado’s moeilijk te documenteren gezien de onvoorspelbaarheid, het plotselinge voorkomen en de relatief kleine schaal. Dit geldt in toenemende mate voor de kleinere tornado’s en windhozen, zoals die in Nederland voorkomen.

Figuur 3: Voorkomen van significante tornado’s in de Verenigde Staten gedurende de laatste 60 jaar. Vooralsnog is er geen duidelijke trend zichtbaar. Bron afbeelding: NOAA.

Volgens de KNMI-14 klimaatscenario's zal de intensiteit van extreme buien in de zomer toenemen. Volgens de observaties komen zeer zware buien met neerslag, onweer en valwinden de laatste twintig jaar vaker voor. Of deze buien ook vaker tot trechters hebben geleid is onbekend. Aangezien het begrip van de toename nog beperkt is, zijn fijnmazige  modellen en observaties nodig om het begrip te verbeteren.

Bron: KNMI.nl