IJsweetjes

Hoe onstaat ijs?

• Zodra het gaat vriezen koelt buitenwater af, het eerst aan het oppervlak.
• Dat koudere water is zwaarder en zakt omlaag. Als een temperatuur van 4 graden is bereikt mengt het zich verder niet meer omdat water kouder dan 4 graden weer lichter wordt en omhoog komt.
• Het water in de diepte blijft dus zo’n 4 graden terwijl het water aan het oppervlak afkoelt tot het vriespunt.
• De ijsvorming kan dan beginnen. Dat gebeurt op het wateroppervlak met het ontstaan van sterretjes en naaldjes. Die worden steeds groter en sluiten zich aaneen tot ze een samenhangend laagje vormen dat langzaam dikker wordt.
• Bij de overgang van water naar ijs, komt warmte vrij (stollingswarmte). Deze moet door de lucht worden afgevoerd.

IJsstructuur

Welke omstandigheden hebben invloed op de ijsvorming?

Luchttemperatuur

Vorst, luchttemperatuur onder 0, is nodig voor het ontstaan van ijs.
Strenge vorst moet het ijs extra dikte geven. Hoe dikker het ijs wordt, hoe moeilijker het onderliggende water zijn energie af kan geven door het bestaande ijs heen, om ijs te worden. Er is dus steeds méér vorst nodig. Daarom is niet alleen een langere periode van vorst nodig, maar ook eeen paar dagen strenge vorst.

Watertemperatuur

Water is bij 4 graden het dichtst en daardoor het zwaarst.
Is water nog boven 4 graden, dan zal bij afkoeling het koudere water zakken en vervangen worden door water van een hogere temperatuur. Totdat al het water 4 graden is. Dan stopt het uitwisselen met andere lagen, omdat water wat lager wordt dan 4 graden lichter is, en dus naar de oppervlakte stijgt. Het water bovenaan kan nu afkoelen tot 0 graden en het ijsproces kan beginnen.

Luchtvochtigheid

De vochtigheid van lucht is een factor die van belang is bij de snelheid waarmee ijs kan worden gevormd.Bij het proces van ijsvorming (overgang van water naar ijs) komt energie in de vorm van warmte vrij.

Droge lucht, lucht met een lage luchtvochtigheid, kan deze energie sneller onttrekken aan het ijs en het water eronder dan lucht met een hoge luchtvochtigheid.

Als de lucht droog is, zal water of ijs door de langs strijkende lucht verdampen. Voor verdamping is energie (warmte) nodig.  Hierdoor kan de temperatuur van het ijs of water lager uitvallen dan de temperatuur aangeeft.

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. Bij een droge droge oostenwind zal de verdamping groot zijn en groeit het ijs daardoor goed. Daarentegen zal bij windstil weer met een hoge luchtvochtigheid, de verdamping minimaal zijn en daardoor de ijsaangroei beperkt, ondanks de misschien lage luchttemperatuur.

Neerslag (sneeuw)

Sneeuw kan op de ijsvorming op twee manieren van invloed zijn:

1. positief

Als vlak voor een vorstperiode een sneeuwlaag ontstaat, kan dat helpen bij de snelheid van ijsvorming omdat een sneeuwdek de vorst in het algemeen doet verscherpen, in het bijzonder bij onbewolkte hemel, doordat:

• Een sneeuwdek meer zonnewarmte weerkaatst dan een onbesneeuwde omgeving waardoor de opwarming door de zon overdag minder is.
• Een sneeuwdek als isolatielaag werkt en zo de afgifte van warmte uit de bodem afremt en bij een dikke laag sneeuw zelfs vrijwel uitschakelt.
• De afkoeling van de lucht is voor een belangrijk deel afhankelijk van de toplaag van de bodem. Sneeuw is een bodem 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. Een heldere nacht met droge lucht is daarbij het meest ideaal.

2. negatief

Als de sneeuw op een al gevormde ijsvloer valt:

• Sneeuw isoleert en zal daardoor de afgifte van energie (warmte) bij ijsvorming verhinderen of zelfs tegengaan. Van aangroei is dan geen sprake meer.
• Door sneeuw op het ijs is dit niet meer zichtbaar. Daardoor zijn scheuren, wakken en de structuur niet meer zichtbaar. Het is dan levensgevaarlijk geworden om het ijs op te gaan indien de banen niet zijn uitgezet.
• Is de sneeuw gesmolten en weer opgevroren dan ontstaat een lastige ijsvloer.

Stroming

Onder een ijsvloer bevindt zich het ‘warme’ water op de bodem. Gaat dit water stromen dan zal dit warme water mengen en de ijsvloer aan de onderkant aantasten. Stroming kan ontstaan door:

• bemaling
• lozing
• het draaien van de wind

Vooral bij kanalen die uitkomen op grote wateroppervlaktes is het uitkijken als de wind gedraaid is omdat een sterke stroming ijs in een paar uur onbetrouwbaar kan maken.

Wind

Wind kan op de ijsvorming op twee manieren van invloed zijn:

1. Ligt er een ijsvloer, dan helpt wind energie af te voeren, wat de ijsgroei bevordert. Een zwakke of matige wind is daarbij het beste.
2. Draait de wind, dan wordt het ijs opeens vanuit een andere hoek aangeblazen. Vooral grotere ijsvlakten vervormen daardoor. Gevolg: het water eronder beroert zich en het warmere water komt naar boven en zal ijsvorming tegengaan.

Een flinke wind is 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.

Dezelfde wind kan ook een rem zijn omdat met name bij groot en diep water de beweging 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.

Wind kan ook zorgen voor windwakken. Kleine windwakken zijn er bijna altijd wel te vinden; grote windwakken kunnen soms gevaarlijk zijn.

Bewolking

Bij de vorming van ijs spelen verschillende vormen van warmteoverdracht:

1. De afgifte van warmte aan de koude lucht boven het water of het ijs. Hoe kouder de lucht, hoe sneller het ijs groeit.
2. De afgifte van warmte door straling. Niet alleen de zon straalt warmte. Maar alles, dus ook de bodem zendt straling uit; bij lage temperatuur als onzichtbare warmtestraling. Die straling van voorwerpen zorgt ervoor dat het ’s nachts bij onbewolkte hemel flink kan afkoelen.

Waterdiepte

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.

Hoe snel groeit ijs?

Door alle genoemde factoren is het moeilijk om precies aan te geven hoe snel ijs groeit. Dhr. Wessels en de Bruin van het KNMI hebben vanaf 1982 een ijsgroeimodel ingevoerd dat redelijk goed voldoet en binnen 1 graad Celsius zelfs correct is. De ijsdikten worden met een afwijking van 10% of minder vrij goed benaderd.

Een vuistregel: elke nacht met 5 graden vorst is gemiddeld 1 cm ijsgroei. De eerste nachten zullen wat dikker ijs opleveren, na de eerste paar nachten zal het zoals beschreven langzamer gaan zodat gemiddeld de regel redelijk uitkomt.

Voorbeeld: de volgende minimumtemperaturen worden op 7 achtereenvolgende nachten gemeten: -2, -4, -5, -7, -5, -9, -8.
Als u deze waarden optelt en door -5 deelt komt u uit op een ijsdikte van 8 cm.

Hoe sterk moet het ijs zijn om iemand te dragen?

De draagkracht van ijs is niet alleen afhankelijk van de dikte ervan, maar ook van de kwaliteit. IJs waarin meer lucht is ingesloten zal brozer zijn en dus minder sterk. Hoe helderder het ijs, hoe steviger en hoe meer draagkracht het heeft. De volgende waarden worden in de praktijk gebruikt:

• 6 cm dikte voor het vertrouwd dragen van een persoon.
• 7 cm dikte de natuurijsbanen open.
• 12cm dikte norm voor de KNSB om een toertocht te houden.
• 16cm dikte minimale dikte waarop de Elfstedentocht kan worden gehouden.