IJsvorming

IJsvorming

Op deze pagina staat het éen en ander over ijsvorming. Bedoeld wordt natuurlijk de vorming van ijs op buitenwater, want dat interesseert ons in het bijzonder.In eerste instantie lijkt het simpel : als het vriest, gaat water over in ijs. Bij nader toezien is het minder simpel. Het begint al met het woordje “het”. Het kan gebeuren, dat je op een bepaald moment ijs waarneemt op daken van auto’s of andere goed geïsoleerde voorwerpen die vrij onder de onbewolkte hemel staan. Het ontlokt veel mensen dan de opmerking: het vriest. De vraag is dan : wat vriest er? Het kan namelijk best zo zijn dat de luchttemperatuur 1 of 2 graden boven 0 is. Het autodak vriest, maar niet de lucht! Zelfs een wegdek kan opvriezen zonder dat de temperatuur van de lucht onder 0 is. Als meteorologen over de temperatuur spreken, dan bedoelen zij de temperatuur van de lucht en het hiervoor genoemde voorbeeld laat zien, dat er meer factoren een rol spelen bij ijsvorming dan alleen de luchttemperatuur.

Waar het om draait is de uitwisseling van warmte tussen het water/ijs en de lucht. In eerste instantie kun je zeggen: als de lucht kouder is dan het water/ijs, dan vindt afkoeling/ijsvorming plaats. Bij temperaturen van de lucht onder 0 zal op den duur ijsvorming plaats vinden. IJsvorming wordt bevorderd door een onbewolkte hemel, (niet te veel) wind en droogte van de lucht. Voordat ijsvorming kan optreden moet het water voldoende zijn afgekoeld. Na een zachte periode kan dat éen tot twee dagen duren. Verder kan gesteld worden: hoe dieper het water, hoe langer het duurt voor het eerste ijs gevormd wordt; het KNMI ijsgroeimodel gaat uit van water van 2 meter diepte. Stroming onder het ijs kan de ijsaangroei afremmen of zelfs omzetten in wegsmelten. Tenslotte kunnen heel lokale factoren, zoals bebouwing nabij het ijs en bruggen negatief werken op de ijsaangroei. En voor ik het vergeet: een sneeuwdek op het ijs is een zeer storende factor omdat de sneeuwlaag als een isolatiedeken werkt.

Temperatuur en ijsvorming
A
llereerst de hoofdfactor in de ijsvorming: de temperatuur van de lucht. Er zijn allerlei methoden om uit de temperatuur gedurende enig tijd de dikte van het ijs te schatten. Zo rekenen sommigen met de nachtelijke minima, bijvoorbeeld door deze over een aantal dagen op te tellen en door 5 te delen. Omdat de temperatuur overdag ook een rol speelt gebruik ik altijd het etmaalgemiddelde. Haal het minteken ervan af en tel die getallen op: het koudegetal volgens Hellmann. Bereikt dit de waarde 16, dan zal bij redelijk gunstige andere factoren het ijs tot 6 of 7 cm zijn gegroeid en dus berijdbaar (niet betrouwbaar!)

Het kan soms enige tijd duren voor dat getal van 16 wordt bereikt. Vorig jaar duurde het een hele week voor het ijs dik genoeg was en bij een koudegetal van 18,5. Typisch voor een Nederlandse vorstperiode is een dag of 5. Spectaculair snel ging het in 1987. Na een paar dagen met een beetje vorst stond het koudegetal in Rotterdam op 2,8. In de nacht van 9 op 10 januari viel de vorst met groot geweld binnen. In twee etmalen groeide het ijs tot ongeveer 10 cm dikte. Op maandag 12 januari reed ik de Alblasserwaard rond zonder enig probleem op schitterend ijs. We hebben het dan over etmalen met een gemiddelde van ongeveer -10 (Rotterdam) tot -11 (De Bilt). Dat het nog kouder kan bewijst 1 februari 1956. Op 30 januari viel de vorst in; op 1 februari om middernacht stond het koudegetal op 11 en op 1 februari was de gemiddelde temperatuur in De Bilt -13,7! Het zou voldoende zijn om op 1 februari te kunnen schaatsen, ware het niet dat de krachtige wind de ijsaangroei heeft vertraagd.

IJsvorming en bewolking
Bij de vorming van ijs spelen verschillende vormen van warmteoverdracht. De belangrijkste is de afgifte van warmte aan de koude lucht boven het water of het ijs. Hoe kouder de lucht, hoe sneller het ijs groeit. Tot zover ligt het heel erg voor de hand. Een andere factor is het fenomeen straling. We kennen dat allemaal in de vorm van de warme zonnestraling. Maar niet alleen hete of zeer warme voorwerpen stralen warmte uit: alles zendt straling uit; bij lage temperatuur als onzichtbare warmtestraling en bij hoge temperatuur ook als licht. Die straling van voorwerpen zorgt ervoor dat het ’s nachts bij onbewolkte hemel flink kan afkoelen. Alles, de bodem, planten en voorwerpen zenden straling uit naar de ruimte en koelen zelf zo af. De lucht doet dat ook maar pikt voor een groot deel ook de afkoeling van de bodem mee. Dat we niet te veel warmte verliezen wordt veroorzaakt door tegenstraling uit de atmosfeer. Hier komt het broeikaseffect, zoals dat er altijd geweest is, om de hoek kijken.

Voor ijsvorming betekent dat in de eerste plaats, dat een onbewolkte lucht zorgt voor koude nachten. Bovendien kan het water en het ijs zelf nog iets meer warmte verliezen door uitstraling. Maar zal de zonnestraling overdag dat effect misschien opheffen? Natuurlijk levert de zon overdag warmtestraling die ook door het ijs wordt opgenomen. Maar kijk eens aan: de uitstraling houdt zich niet aan de klok en gaat overdag gewoon door; op schaduwplekken zal ijs daardoor ook overdag beter groeien. Waar de zon op het ijs schijnt zal een groter deel dan elders worden teruggekaatst, waardoor maar heel weinig in het ijs en het water terecht komt. Wel zie je soms, vooral later in het seizoen, water op het ijs bij beschutte zonnige oevers. Per saldo is tot in februari een onbewolkte lucht overdag beter dan een bewolkte bij gelijke temperatuur. Het kan natuurlijk gebeuren, dat de temperatuur overdag lager blijft door aanwezige bewolking. In dat geval is de situatie overdag weer iets gunstiger.

De conclusie luidt dus, dat een onbewolkt etmaal voor ijsvorming gunstiger is dan een bewolkt. In deze vorstperiode is die gunstige factor aanwezig. Vorig jaar met mist en laaghangende bewolking midden in de vorstperiode was de situatie anders; wel bleef de temperatuur overdag op 20 en 21 december erg laag, maar de ijsvorming viel toen toch een klein beetje tegen.

Wind en ijsvorming
V
oor de vorming van ijs is de wind een niet te onderschatten factor. In eerste instantie is een flinke wind goed voor de afkoeling van het water en verder aangroei van het ijs. Een sterke wind bevordert de afvoer van warmte uit het water of het ijs. Veel wind is in de beginfase van een vorstperiode ook weer een rem op de ijsvorming. Met name op groot en diep water; daar zal de beweging van het water uitwisseling met diepere lagen, bevorderen en de bevriezing uitstellen. Bovendien is water in sterke beweging moeilijk tot vorming van een mooi ijslaagje te brengen. In het geval van sterke wind en matige tot strenge vorst worden kleine ijsdeeltjes gevormd die met de stroming naar de bodem worden gevoerd. Hierdoor ontstaat grondijs dat later weer in brokken naar de oppervlakte komt. Een mooie ijsvloer zal dat niet worden.

Ligt er eenmaal ijs, dan is een zwakke tot matige wind wel beter dan windstilte; de wind bevordert afvoer van warmte van het ijs waardoor de ijsaangroei iets sneller gaat dan bij windstilte. Windstilte was het verschijnsel dat op 4 maart 2005 in eerste instantie boven een sneeuwdek tot zeer strenge vorst leidde. In Veenoord probeerde men in die supervriesnacht een ijsvloer te leggen door water te sproeien op het dikke sneeuwdek en zo de eerste marathon op natuurijs binnen te halen. Bij een temperatuur van -18 zou dat toch moeten lukken? De vraag is of het nog wel 18 graden vriest boven een sneeuwdek waarop water gesproeid wordt. Het fenomeen van uitstraling boven het sneeuwdek wordt ter plaatse enige mate teniet gedaan; een zwak windje zou de ijsvormingsproces kunnen bevorderen doordat extreem koude lucht uit de omgeving zou worden aangevoerd. En dat windje ontbrak! Het resultaat was een te dunne ijsvloer waar de schaatsers na korte tijd doorheen gingen.

Een bijkomend verschijnsel is: windwakken. Kleine windwakken zijn er bijna altijd wel te vinden; grote windwakken kunnen soms gevaarlijk zijn. Uit het verleden kennen we een paar beruchte situaties. Zoals in januari 1982, toen na dagen matige tot strenge vorst nog niet alle windwakken waren dichtgevroren. Er zijn toen ook mensen verdronken. In de winter van 95-96 waren grote windwakken een probleem in Friesland; de Elfstedentocht ging uiteindelijk niet door.

Een bijzonder effect van de wind leerde ik op zaterdag 27 januari 1996 kennen. Met een vriend schaatste ik in Friesland op ijs met ontzettend veel windwakken. Toen mijn vriend, te dicht langs een wak schaatsend, door het ijs was gegaan konden we bij een gastvrije boer op verhaal komen. Hij vertelde ons dat door de sterke wind het ijs in de meren wordt opgestuwd, waardoor het water in beweging komt onder het ijs. In de kanalen aan de westzijde ontstaat daardoor stroming die ter plaatse weer wakken doet ontstaan. En dat was precies het gebied waar het onheil geschiedde. Op basis van het koudegetal zou het ijs ruim boven de 10 cm dik geweest moeten zijn, maar dit effect maakte het ijs toen van zeer bedenkelijke kwaliteit.

Wind heeft samen met een voorgeschiedenis van enkele dagen zacht weer ons nu ook parten gespeeld. In de eerste dagen van deze vorstperiode moest het grote water nog afkoelen en kon vervolgens bij meest lichte vorst niet bevriezen vanwege de wind. Het gevolg was, dat het grote water op veel plaatsen tot maandagnacht open heeft gelegen. Het ijs van woensdag was daar dan slechts twee en een half tot drie etmalen oud en veelal aan de dunne kant. Op ondiep water ging het veel sneller en lag de boel plaatselijk zaterdag al dicht; het ijs moet plaatselijk nu al 10 cm dik zijn.

Luchtvochtigheid en ijsvorming
Een ogenschijnlijk onbelangrijke factor bij de vorming van natuurijs is de vochtigheid van de lucht. In werkelijkheid is het vochtgehalte wel van invloed op de snelheid waarmee het ijs gevormd wordt. Als de relatieve vochtigheid van de lucht laag is, zal water of ijs door langs strijkende lucht verdampen. Voor deze verdamping wordt energie (warmte) aan het water of het ijs ontrokken waardoor het water of het ijs meer afkoelt dan alleen uit de temperatuur zou kunnen worden afgeleid. Bij zeer droge lucht van +3° kan daardoor het ijs nog droog blijven en bij 0° kan het ijs een temperatuur onder 0° aannemen. Het gevolg is, dat de ijsvorming bij 0° of iets daar boven nog kan doorgaan; dat is in de winter van 96/97 waargenomen in de periode na 11 januari. Officieel was de vorstperiode ten einde, maar er zijn dagen geweest met een gemiddelde temperatuur iets boven 0 waarop het ijs toch nog aangroeide; de maximale ijsdikte is toen na 11 januari pas bereikt.

In een normale vorstperiode met een tamelijk droge oostenwind groeit het ijs goed. Wordt de lucht erg vochtig, dan neemt de snelheid van aangroeien van het ijs iets af; is daarbij de wind ook afwezig, dan gaat het duidelijk langzamer dan bij een droge wind. Daarbij afgezien van een eventueel negatief effect van de wind bij het dicht vriezen. Vochtig en windstil weer, dan denk ik ook aan mist zoals we die in de vorstperiode van december 2007 meemaakten. Ondanks de toegenomen kou van de laatste dagen van die periode, namelijk 20 en 21 december, groeide het ijs minder dan gehoopt. Wat aan de ene kant winst was door het mistige weer, namelijk de lagere temperatuur overdag, werd teniet gedaan door de vochtigheid van de lucht en de afwezigheid van wind. Ook het omgekeerde komt voor: bij dooi met zachte vochtige lucht condenseert er waterdamp op het smeltende ijs; dit geeft extra warmte waardoor het smelten extra snel gaat. Zo kan het ijs bij een krachtige zuidwestenwind met zachte, vochtige lucht van 10° buitengewoon snel smelten: 10 cm ijs kan in ruim een etmaal weg zijn.

Nog iets over ijsvorming en ijsafsmelt. Er nog een reden om aan te nemen dat smelten doorgaans sneller gaat dan aangroeien. Strijkt koude vrieslucht over een ijslaag, dan neemt de bovenzijde van het ijs een temperatuur aan die tussen 0° en de temperatuur van de lucht in ligt. De temperatuur van de bovenzijde van het ijs is lager naarmate het ijs dikker is; de afgifte van warmte door het ijs aan de lucht neemt dus ook af naarmate het ijs dikker is. Dus : hoe dikker het ijs, hoe langzamer het groeit. Bij smelten ligt dat heel anders: de bovenkant van het smeltende ijs behoudt een temperatuur van 0° en daarmee is de opname van warmte vanuit de lucht bij dooi altijd even groot. NB: ik heb het hier alleen over het temperatuureffect; andere factoren zoals wind, bewolking en vochtigheid kunnen ook bij afsmelten het proces beïnvloeden.

Waterdiepte, stroming en ijsvorming
O
p ondiepe slootjes en ondergelopen weilanden wordt vaak al na een paar nachten lichte vorst geschaatst, op het moment dat grote vaarten en plassen nog open liggen. Het is duidelijk: diep water heeft meer tijd nodig om te bevriezen. Vooral als de temperatuur van het water aan het begin van een vorstperiode boven de 4 graden ligt of als er veel wind staat, kan dit een behoorlijke vertraging geven. Eerst moet tot op de bodem het water tot 4 graden zijn afgekoeld en dan pas kan de toplaag afkoelen tot 0. Water van beneden 4 graden is namelijk lichter dan water van 4 graden. Waait het behoorlijk, zeg vanaf windkracht 3, dan vindt door de stroming in het water, veroorzaakt door de wind, menging plaats tussen toplaag en diepere lagen. Ook dat geeft vertraging.

Een storend effect bij de ijsaangroei kan bemaling of lozing zijn. Daardoor ontstaat stroming onder het ijs en kan het ijs onvoldoende groeien of zelfs afsmelten. Of dit het geval is kan alleen ter plaatse worden nagevraagd of uit nieuwsberichten worden afgeleid. Bewoners van de omgeving kunnen meestal wel de plaatsen aangeven waar het ijs altijd zwakker is door stroming, bijvoorbeeld in de buurt van een gemaal.

IJsvorming en sneeuw
A
ls schaatser heb ik een haat-liefdeverhouding met sneeuw. Een op het juiste moment, namelijk vlak voor een vorstperiode, gevallen pak sneeuw is een geweldige steun. Een sneeuwdek zal de vorst in het algemeen doen verscherpen, in het bijzonder bij onbewolkte hemel. Dit heeft in ieder geval twee, en soms zelfs drie oorzaken. In de eerste plaats weerkaatst een sneeuwdek meer zonnewarmte dan een onbesneeuwde omgeving; de opwarming door de zon overdag is iets minder. In de tweede plaats is een sneeuwdek een isolatielaag die aanvoer van warmte uit de bodem afremt en bij een dikke laag sneeuw zelfs vrijwel uitschakelt. Als gevolg daarvan kan de lucht erboven extra afkoelen waardoor ook in de nacht de temperatuur verder omlaag kan. Daar komt nog iets bij: de afkoeling van de lucht is voor een belangrijk deel afhankelijk van de toplaag van de bodem. Is deze bodem sneeuw dan hebben te maken met een oppervlak dat sterk warmte uitstraalt en dus snel afkoelt. Vooral bij verse sneeuw is dat een aanzienlijke factor, waarbij de temperatuur gemakkelijk 10° in een paar uur daalt.

Die situatie overdag is bedrieglijk: als er weinig wind is kan het boven de sneeuw in de zon ook bij zeer lage temperaturen aangenaam aanvoelen. Je vangt directe zonnestraling en weerkaatste straling vanaf de sneeuw en de waarnemer krijgt zo bijna dubbele zonnewarmte. Een goed opgestelde thermometer ontvangt die straling niet en geeft de luchttemperatuur aan; je kan dan -5° (de lucht) aflezen en toch het gevoel hebben dat het een beetje warm (invloed van de zon) is. Die extra warmte die je voelt is dan juist niet aan de bodem en de lucht toegevoegd.

Een sneeuwlaag heeft meestal een aanzienlijke invloed op de temperatuur, ruwweg kan je zeggen dat het door een sneeuwlaag 5 tot 10° kouder is. We zien dat deze dagen gedemonstreerd aan de temperatuurverschillen tussen het midden en het zuidoosten van het land: waar het in De Bilt tot -10 kwam, stond het kwik in Limburg op veel plaatsen op -18 tot -20. Ook overdag flinke verschillen: De Bilt maximaal -1,3 tegen Ell -7,4. De eerste conclusie zou zijn: een schaatser mag blij zijn met sneeuw, want het wordt dan een stuk kouder. Indirect profiteren we ook van sneeuw als die dicht tegen onze oostgrens ligt en de wind uit het oosten waait. De aldaar afgekoeld lucht zal op weg naar ons meestal weinig opwarmen. Dat laatste is overigens ook nog afhankelijk van de dikte van de koude luchtlaag: hoe dikker deze is, hoe langzamer de opwarming.

Verse sneeuw is, in vaktaal, een uitstekende zwarte straler; meer nog dan verouderde sneeuw. Een zwarte straler is een oppervlak dat sterk warmte uitstraalt en derhalve snel kan afkoelen. Dat snelle afkoelen van een verse sneeuwlaag is natuurlijk afhankelijk van de toestand van de atmosfeer en vindt alleen plaats als er weinig of geen bewolking is. Een heldere nacht met droge lucht is het meest ideaal. Zo zagen we in Ell tussen 17 uur en 20.15 uur op 6 januari 2009 de temperatuur kelderen van -10 naar -20. Iets dergelijks gebeurde op 5 maart 2005 boven een dik en vrij vers sneeuwdek: tussen 16 uur en middernacht ging de temperatuur in Marknesse bijna 20° omlaag. Een dramatischer situatie deed zich voor op 7 december 1980, toen bij Schiphol na een fikse sneeuwbui de temperatuur tussen 15 en 18 uur in de middag omlaag ging van 0 naar -11°. Veel kettingbotsingen door gladheid waren het gevolg. Precies hetzelfde gebeurde een jaar later, op 12 december 1981, in delen van Noord en Zuid-Holland opnieuw: boven verse sneeuw daalde bij Rotterdam de temperatuur tussen 16 en 18 uur van -1 naar -9. Opnieuw veel ongelukken door de gladheid.

Als schaatsers zijn we meestal niet zo blij met een pak sneeuw. Als dit op het ijs valt, wordt dat onzichtbaar en je kunt het ijs niet meer “lezen”. Je ziet niet of het dik is of juist dun op een dichtgevroren wak. Bovendien zie je scheuren niet meer. Een sneeuwlaagje op het ijs dat half ontdooid en weer opgevroren is schaatst niet erg gemakkelijk. Een ander onprettig bijverschijnsel is, dat die isolerende werking van de sneeuw nu juist tegen ons gaat werken. Een laag van 10 cm sneeuw op het ijs doet de aangroei ervan flink afnemen. Ik schat dat het meer dan de helft scheelt. Ligt er echt veel sneeuw op het ijs, bijvoorbeeld 20 cm of meer, dan hebben we echt een probleem: het ijs groeit bijna niet meer. In het verleden is daardoor wel eens een elfstedentocht uitgesteld, zoals is 1963, of in het geheel niet gehouden, zoals in 1979. In beide winters werkte de wind ook nog eens tegen door stukken van het traject goed dicht te stuiven.

Conclusie: we hebben er liever niet te veel van. Of misschien toch wel, als het maar valt vòòr onze schaatsgebieden dicht vriezen. Of laat het maar 50 kilometer naar het oosten vallen, dan profiteren we er nog van bij oostenwind. Maar mooi blijft het wel, schaatsen tussen de besneeuwde velden.