Hoewel de overgang van water naar ijs op het eerste gezicht eenvoudig lijkt, is het proces van ijsvorming in werkelijkheid complex en afhankelijk van diverse factoren. De zuiverheid en samenstelling van het water spelen hierbij een cruciale rol. Zuiver zoet water bevriest bij 0 graden Celsius en een luchtdruk van ongeveer 1013 hPa. Echter, in de natuur komen deze ideale omstandigheden zelden voor.
Water met opgeloste zouten, zoals zeewater, heeft een lager vriespunt. Hoe hoger het zoutgehalte, hoe langer het duurt voordat het water bevriest. Zeewater bevriest gemiddeld pas bij -1.9 graden Celsius. Zelfs zoet water, dat nooit volledig zuiver is, heeft een iets lager vriespunt dan 0 graden Celsius, bijvoorbeeld -0.2 graden. Deze kleine verschillen zijn in de praktijk vaak niet direct merkbaar, zeker niet na enkele nachten met matige tot strenge vorst.
Het grootste deel van het ijs op aarde bevindt zich in de poolstreken: de Noordpool, Antarctica en Groenland. Door een aanhoudend koud klimaat en constante vorst gedurende een groot deel van het jaar, hebben zich hier dikke ijslagen gevormd van wel 1 tot 3 kilometer dik. Naast dit poolijs, dat zowel zout als zoet kan zijn, onderscheiden we ook het zee- of pakijs dat rond de polen in de oceanen voorkomt. Op bergen en gletsjers vinden we landijs, ontstaan uit samengeperste oude sneeuwlagen. Door het gewicht van de sneeuw en de invloed van wisselende temperaturen en verdamping, transformeert dit tot ijs. Boven de sneeuwgrens is zoet landijs het meest voorkomend. In de Alpen is dit ijs te vinden boven de 2600-2800 meter. IJsbergen zijn meestal ook van zoet ijs, afkomstig van gletsjers die afbreken en in zee terechtkomen. Een aanzienlijk deel, ruim acht tienden, van een ijsberg bevindt zich onder water.
Factoren die de Ijsgroei Beïnvloeden
Het proces van ijsvorming is complex en wordt beïnvloed door een scala aan factoren. Zodra de eerste vorstnachten aanbreken, kan onder gunstige omstandigheden het water geleidelijk overgaan in ijs. Hoe langer en kouder de lucht afkoelt onder het vriespunt, des te sneller het water deze temperatuur bereikt. Water gedraagt zich eigenaardig: bij 4 graden Celsius heeft het zijn grootste dichtheid. Kouder water is lichter en blijft aan de oppervlakte. Een paar nachten met 3 tot 4 graden vorst is voldoende om een dun laagje ijs te vormen, waarbij het bovenste waterlaagje afkoelt en bevriest.
Onzuiverheden in het water, zoals warmer rioolwater of kwelwater, kunnen het temperatuurprofiel van het water verstoren en het groeiproces aanzienlijk vertragen. In dergelijke omstandigheden duurt het langer voordat een stabiele ijsvloer ontstaat, en de kwaliteit ervan kan verraderlijk slecht zijn.
Zodra er eenmaal een dunne ijslaag is gevormd, groeit deze verder aan de onderkant. De luchttemperatuur heeft dan minder directe invloed, aangezien ijs een goede isolator is. Belangrijker nog is dat bij de bevriezing van water stollingswarmte vrijkomt. Dit betekent dat de aangroei van ijs na de eerste ongeveer 6 tot 7 centimeter vertraagt, zelfs bij dezelfde temperatuur en omstandigheden. Overdag beschermt de ijslaag het onderliggende water tegen zonlicht.
Lokale Variaties in Ijsvorming
IJs vormt zich doorgaans eerst aan de oevers van waterlichamen. Hier koelt het water sterker af dan in het midden, mede door de instroom van koudere, zwaardere luchtmassa's vanaf het land. Onder een brug is de uitstraling en afkoeling minder groot, doordat de brug warmte vasthoudt en de aanvoer van koude lucht beperkt. Bovendien is de waterbeweging intensiever, wat ook de ijsvorming kan vertragen.
De waterdiepte speelt een cruciale rol zolang er nog geen ijs ligt. Dieper water heeft langer nodig om volledig af te koelen, waardoor de vorming van een ijslaag langer op zich laat wachten dan in ondiepe wateren. Stromend water bevriest bovendien minder snel dan stilstaand water, omdat de constante beweging een gelijkmatigere temperatuurverdeling over de gehele diepte bevordert en de verticale menging van waterlagen met verschillende temperaturen makkelijker plaatsvindt.
Ook gemalen in vaarten kunnen de menging van water in stand houden en de ijsvorming vertragen. De windsnelheid is eveneens een belangrijke factor. Bij windkracht 4 of meer ontstaan rimpelingen en golven, die de bovenste waterlagen in beweging brengen. Bij lagere windsnelheden kan wind echter een gunstig effect hebben op de afkoeling, vergelijkbaar met het effect van transpiratie op een warme dag. Verdamping wordt bevorderd, wat leidt tot snellere afkoeling van het water.
De relatieve luchtvochtigheid bepaalt de mate van verdamping. Droge lucht, met minder waterdamp, bevordert verdamping en, in combinatie met wind, de afkoeling van het water.
Sneeuw en de Invloed op Ijsgroei
Tijdens een vorstperiode of aan het einde ervan kan sneeuwval optreden. Als er al ijs ligt, werkt sneeuw vaak als een isolator. Een sneeuwlaag op het ijs vertraagt de warmteafgifte aanzienlijk, wat de aangroei van ijs tegengaat. Overdag kan sneeuw het proces echter enigszins versnellen doordat het zonlicht voor 80 tot 90% reflecteert. Per saldo vertraagt sneeuw op een bestaande ijsvloer het groeiproces.
Het Meten en Voorspellen van Ijsgroei
Gezien de vele beïnvloedende factoren is het berekenen van de exacte ijsgroei niet eenvoudig. Het KNMI heeft sinds 1982 een ijsgroeimodel ontwikkeld dat redelijk goed voldoet en een nauwkeurigheid binnen 1 graad Celsius biedt. De ijsdikten worden met een afwijking van 10% of minder benaderd. Een vuistregel is dat bij een minimumtemperatuur van -5 graden Celsius de ijsgroei ongeveer een centimeter per dag bedraagt. Elke extra graad vorst levert een centimeter extra aangroei op. Zodra de ijsdikte 6 tot 7 centimeter bereikt, neemt de groei af. Echter, na een langdurige strenge vorstperiode kan bevroren water een ijsvloer vormen met een dikte van tientallen centimeters.
De dikte van natuurijs varieert sterk. In de meeste jaren bedraagt de maximale dikte 10 tot 15 cm. In uitzonderlijk koude winters met langdurige vorstperioden (zoals 1940, 1979, 1985, 1987) kan een ijsvloer van 25 tot 30 cm ontstaan. In de winter van 1963 zijn zelfs ijsdikten van ruim 40 cm gemeten.
Kwaliteit en Veiligheid van Natuurijs
Niet alle ijs is even sterk. De kwaliteit van het ijs, bepaald door factoren als de hoeveelheid ingesloten lucht, is cruciaal voor de draagkracht. Meer lucht veroorzaakt grotere broosheid en dus minder sterk ijs. Over het algemeen wordt een minimale dikte van 7 tot 8 cm helder ijs aanbevolen voor veilige betreding. IJs is helderder en bevat minder luchtbelletjes wanneer het langzamer bevriest, bij temperaturen die minder ver onder het vriespunt liggen.
In ondiepe wateren kunnen ijsnaalden aan de bodem vastvriezen, wat resulteert in grondijs. Dit ijs heeft vaak een grijze of beige kleur en ontstaat met name in stromende, ondiepe rivieren. Wakken, openingen in het ijs, ontstaan vaak aan de lijzijde van een oeverwal, waar wind het diepere, warmere water aanzuigt en concentrisch door het wak laat stromen. Dit vertraagt de ijsvorming in deze gebieden.
Voor veilig schaatsen op natuurijs wordt aangeraden te wachten tot het ijs minimaal 8 cm dik is en een egale, grijze kleur heeft. Het ijs moet droog en vlak zijn. Extra voorzichtigheid is geboden aan de oevers en onder bruggen. Na het begin van een dooiperiode of na regen is het betreden van het ijs sterk af te raden.
Specifieke IJstypen en Hun Kenmerken
- Zwartijs: Ontstaat tijdens windstille vorstnachten en bestaat uit lange, samengevroren ijsnaalden. Het is volkomen helder, spiegelglad en van de beste kwaliteit, waardoor men de bodem van het water kan zien.
- Grondijs: Ontstaat in diepere, koudere waterlagen en drijft naar de oppervlakte. Het kan modder, plantenresten of steentjes van de bodem bevatten.
- Haarijs: Een dunne ijslaag (0.7-7 cm dik) die groeit op rottende, natte takken hout, vaak tot wel 10 cm lange "haren" vormend.
- Bobbelijs: Ontstaat door wervelingen in het water en bevat gestolde luchtbellen.
- Sneeuwijs: Ontstaat wanneer sneeuwvlokken het water snel afkoelen, wat resulteert in een stroperige massa die de basis vormt van de ijsvloer. Dit ijs is minder glad dan zwartijs.
De Elfstedentocht en IJsvorming
De Elfstedentocht, een iconische schaatswedstrijd op natuurijs, vereist een minimale ijsdikte van 15 cm. Het is echter vrijwel onmogelijk om het gehele traject deze dikte te realiseren, met name onder bruggen waar het ijs aanzienlijk dunner is. Sinds de winter van 1995-1996, en opnieuw in 1997, werden er technieken zoals het vullen van wakken met ijsblokken en het plaatsen van schotsen onder bruggen toegepast om de tocht mogelijk te maken. De klimaatverandering heeft de kans op een Elfstedentocht aanzienlijk verminderd.
Hoe beïnvloeden gletsjers het landschap? Animatie van geog.1 Kerboodle.
IJsplaten en de Zuidpool
IJsplaten omzomen driekwart van de kustlijn van Antarctica en vormen de verbinding tussen de ijskap en de Zuidelijke Oceaan. Afname van het ijsplaatoppervlak kan leiden tot het dunner worden van gletsjers stroomopwaarts en een versnelde afvoer van ijs. Onderzoek met behulp van satellietwaarnemingen heeft aangetoond dat tussen 2009 en 2019 het oppervlak van de Antarctische ijsplaten met 5305 km² is toegenomen, wat resulteerde in een toename van 661 Gt aan ijsmassa. Dit staat in contrast met de algemene perceptie van smeltende ijskappen.
Arctisch Zeeijs en Klimaatverandering
Het Arctisch zeeijs speelt een cruciale rol als "airco" voor de aarde. De afgelopen decennia is er echter een zorgwekkende trend zichtbaar: het zeeijs smelt in de zomer sneller en groeit in het najaar langzamer aan. Dit leidt tot een "positieve feedback loop" waarbij de donkere oceaan meer zonlicht absorbeert, wat resulteert in verdere opwarming en versnelde smelt. De gemiddelde dikte van het Arctisch zeeijs neemt ook af, met een afname van meerjarig ijs en een dominantie van dunner, eenjarig ijs.
Hoewel het zeeijsminimum in het noordpoolgebied in recente jaren fluctuaties vertoont, en er geen duidelijke trend naar lagere minima meer zichtbaar is sinds 2007, blijft de gemiddelde dikte van het ijs een punt van zorg. Dun zeeijs is extreem gevoelig voor weersomstandigheden, en een scenario van een krachtig lagedrukgebied boven het poolgebied zou in één klap een groot deel van het zeeijs kunnen doen verdwijnen.
