Natuurijs

Niet elk jaar kunnen de schaatsliefhebbers zich in de handen wrijven als de ijsvloer op hun favoriete watertje aangroeit en vervolgens sterk genoeg is om bereden te worden. En als het er van komt, dan stappen we massaal op het ijs, het liefst met helder vriezend weer en een koek en zopie. In deze bijdrage van Weer Wat Geleerd gaan we eens in op de technische details van het ontstaan en de vorming van natuurijs, hoe het aangroeit en welke factoren deze groei bepalen. En niet te vergeten… de veiligheid op het ijs en enkele historische feiten.

IJs = bevroren water

Dat zal u niet verbazen. Water is een vloeistof dat bij 0 graden Celsius overgaat in zijn vaste toestand….ijs. Toch lijkt dat allemaal simpel maar is in werkelijkheid niet zo. Het water wat wij op aarde kennen is van zeer verschillende samenstelling en zuiverheid. Zuiver zoet water zal bij een luchtdruk van rond 1013 hPa bij 0,0 graden Celsius inderdaad de vaste vorm gaan aannemen. Echter is dit een optimale situatie die in de natuur vrijwel nooit voorkomt. Water die opgeloste zouten bevat, zoals zeewater, bevriest veel later. Hoe meer zout het water bevat hoe langer het duurt voordat het stolpunt wordt bereikt. Zeewater bevriest pas bij gemiddeld -1.9 graden. Zoet water – dat nooit geheel schoon is – heeft ook een stolpunt dat iets lager ligt dan 0,0 graden Celsius, bijv. bij -0,2. Dat zijn verschillen die u niet snel zal opmerken en zeker niet als er een aantal nachten met matige of strenge vorst plaatsvinden. Zo direkt zien we dat niet alleen de zuiverheid van het water een faktor is.

Waar hebben we ijs?
Het overgrote deel ijs in de wereld ligt in de poolstreken, de noordpool, op Antartica (de zuidpool) en voor 90% van Groenland. Door een aanhoudend koud klimaat met 11 of 12 maanden constante vorst heeft in de vele voorafgaande jaren een dikke ijslaag gevormd van 1 tot 3 km dik. Vooral op het centrale deel van de polen maar ook op Groenland is de ijslaag zelfs ruim 3 km dik.
Behalve dit poolijs dat deels zout en zoet is, kennen we ook het ijs dat eromheen in de oceanen voorkomt, het zeeijs of pakijs. Dit is overwegend zout ijs dat in de herfst- en wintermaanden wordt gevormd door de bevriezing van zeewater en zich geleidelijk (over enkele honderden kilometers) naar het zuiden toe uitbreidt Dichtbij de noordpool heeft dit zeeijs al gauw een dikte van 2 tot 4 meter.
Op de bergen en gletsjers vinden we het landijs dat ontstaan is door de tranformatie van oude sneeuwlagen. Door het gewicht van deze soms metersdikke lagen klinken deze in en worden door afwisselende temperaturen en verdamping omgevormd tot ijs. Boven de sneeuwgrens is het aandeel van het zoete landijs het grootst. In de Alpen vinden we dit ijs boven de 2600-2800 meter, in de winterperiode uiteraard onder de verse sneeuw. In de zomer komt een deel van het oude ijs aan de oppervlakte. Hoe dieper men komt, hoe ouder het ijs.
IJsbergen zijn meestal ook samengesteld uit zoet ijs dat door het afbreken van gletsjers aan de kust in zee terechtkomen. Ruim 8/10 de deel van de ijsberg bevindt zich onderwater. Het deel boven water is gemiddeld zo’n 50 m hoog. In het vroege voorjaar raken ze op drift en verplaatsen zich naar het zuiden. Vooral tussen Newfoundland en Groenland komen veel ijsbergen voor. Deze kunnen zeer gevaarlijk zijn voor de scheepvaart; we kennen allen het verhaal en de film van Titanic.
Het natuurijs op plassen, meren en vaarten is een andere vorm die we in deze bijdrage eens nader gaan bekijken.

Vorming en aangroei van ijs

Het proces van ijsvorming is vrij ingewikkeld en van vele faktoren afhankelijk. Zodra zich de eerste nachten met vorst hebben aangediend, zal bij gunstige omstandigheden het water geleidelijk tot ijs kunnen overgaan. Welke faktoren bepalen nu eigenlijk hoe snel dat proces van ijsgroei verloopt? De belangrijkste zijn als volgt:

• temperatuur lucht en water
• waterdiepte
• stromingsnelheid van het water
• windsnelheid en vochtigheid
• neerslag

Temperatuur

Hoe meer en langer de lucht beneden het vriespunt afkoelt, des te sneller ook het water een temperatuur van beneden nul kan gaan aannemen. Water is nu eenmaal een eigenaardig goedje. Het neemt minder snel een nieuwe temperatuur aan en houdt langer zijn warmte vast (denkt u maar aan het zeewater dat begin september op zijn hoogste temperatuur is). Een paar nachten van 3 of 4 graden vorst is voldoende om een flinterdun laagje ijs te vormen. Het bovenste laagje water koelt dan af tot 0 graden of net daar beneden en bevriest. Het warmere water onder het ijs dat niet bevriest is bij een temperatuur van 4 graden of net daaronder zwaarder en zakt langzaam naar de bodem. Er vindt a.h.w. een verschuiving van waterlagen plaats. Hoe kouder het water is, hoe lichter het wordt en hoe hoger het aan de oppervlakte blijft. Bij een temperatuur van 4 graden heeft water namelijk bij 1 Atm. (1013 hPa) zijn grootste soortelijke massa. Daaronder neemt het gewicht snel af, boven de 4 graden ook, maar iets minder snel.
Afvoer van warmer rioolwater of kwelwater verstoren het temperatuurbeeld van het water danig en vertragen het groeiproces behoorlijk. In deze wateren duurt het langervoordat een redelijke ijsvloer is gelegd en blijft deze bovendien dikwijls van een verraderlijk slechte kwaliteit. Kwelwater is water dat van hoger gelegen land komt en door warmere grondlagen in het water terechtkomt.
Waar dat niet gebeurt kan de menging van eigen water ongestoord verder gaan en zal de temperatuur van het water gemiddeld steeds lager worden. Als er eenmaal een redelijk laagje ijs heeft gevormd zal het ijs verder aan de onderkant moeten aangroeien. De luchttemperatuur heeft dan minder snel invloed. IJs is een goede isolator een houdt de straling voor een groot deel tegen. De kou trekt minder snel door het ijs heen. Bovendien en veel belangrijker: bij bevriezing van water komt stollingswarmte vrij. Deze warmte moet door de ijslaag heen worden afgevoerd die de temperatuur van het ijs dus iets verhoogt.
Dit betekent dat de ijslaag na de eerste ca. 6 á 7 cm minder snel zal aangroeien bij dezelfde temperatuur en omstandigheden. Overdag beschermt de ijslaag tegen het zonlicht. Deze reflecteert het zonlicht voor een groot deel (zie ook bij neerslag).
IJs zal het eerst aan de oevers gevormd worden. Daar koelt het water sterker af dan in het midden ervan dankzij de toestromende en zwaardere, koude luchtmassa’s vanaf het land. Onder een brug is de uitstraling en afkoeling minder groot (de brug houdt dit tegen), is de verplaatsing van het water wat intensiever en wordt de toevoer van koudere landlucht meer belemmerd. Daar zal de groei van het ijs achterblijven, een in de praktijk bekend feit.

Waterdiepte

Zolang er nog geen ijs ligt, is de diepte van het water van groot belang. Hoe dieper het water hoe langer het duurt voordat de gehele watermassa afkoelt en er bovenin het eerste ijslaagje kan worden gevormd. Ondiepe slootjes zullen eerder bevriezen dan grote meren. De eerder beschreven menging vindt plaats maar duurt langer dan in minder grote diepten. Zodra het eerste ijs er ligt, neemt de belangrijkheid van de waterdiepte als faktor af.

Stromingsnelheid

Water dat flink stroomt, bevriest minder snel dan water dat rustig is of vrijwel stilstaand is. De vertikale menging van waterlagen met verschillende temperaturen kan dan beter plaatshebben dan wanneer het water veel in beweging is en de temperatuur gelijkmatiger over de gehele diepte verdeeld wordt. Uiteindelijk zullen ook rivieren bij een watertemperatuur van 0 tot max. 1 graden beginnen te bevriezen. Gemalen kunnen in vaarten ook de menging van het water in stand houden en de ijsvorming vertragen. Verraderlijker is daarbij dat het ijs meestal zeer verschillend van kwaliteit is.

Windsnelheid en vochtigheid

De hoogte van de windsnelheid is zeker niet te verwaarlozen, zeker niet wanneer de wind kracht 4 of meer bereikt. Op het water ontstaan dan snel rimpeling en golven en brengen zodoende de bovenste lagen in beweging. Bij minder dan windkracht 4 kan de wind zelfs een gunstig effect hebben. Als het eerste ijs gevormd is, zal de heersende wind de afgestane stollingswarmte sneller kunnen afvoeren dan wanneer het windstil is. Denkt u maar aan de vergelijking wanneer u het kouder krijgt indien het waait en u bezweet bent dan wanneer het windstil is. Op deze wijze wordt verdamping en afvoer van warmte bevordert en koelt u sterker af. Ook het bovenste laagje ijs of water zal sneller afkoelen wanneer er iets wind staat.

De relatieve vochtigheid is bepalend voor de hoeveelheid verdamping die kan plaatsvinden. Drogere lucht bevat minder waterdamp en bevordert de verdamping en samen met de wind ook de afkoeling van het water. Na de eerste paar dagen wordt de vochtigheid veel minder belangrijk.

Neerslag

Tijdens een vorstperiode of tegen het einde ervan hoort sneeuw tot de mogelijkheden. Als er al ijs ligt, is sneeuw dikwijls een faktor die de ijsgroei tegenwerkt. Een laag sneeuw op het ijs is een goede isolator en vertraagt sterk de afgifte van de warmte. Overdag kan sneeuw daarentegen het proces weer wat versnellen aangezien het ook de zonnestraling voor 80 tot 90 % terugkaatst, afhankelijk van de versheid van de sneeuw. Versgevallen sneeuw kaatst meer straling terug dan oude sneeuw. Per saldo kun je stellen dat op een reeds bestaande ijsvloer, het groeiproces wordt vertraagd. Wanneer na de sneeuwval direkt een periode van matige tot strenge vorst inzet, kan dat gunstig uitpakken voor de vorming van het eerste ijs en kan het ijs tevens dikker kunnen worden.

Zijn er vuistregels om te schatten hoe snel het ijs groeit?

Uit hetgeen boven is beschreven, zal duidelijk zijn dat het niet makkelijk is om precies de groei van ijs is te berekenen. 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 die u overigens met de grootste voorzichtigheid kunt gebruiken is: 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: u meet de achtereenvolgende 7 nachten de volgende minimumtemperaturen:
-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.

Eigenschappen van het ijs

Bouw en structuur
Hakt u een stuk ijs uit de sloot, dan ziet u dat natuurijs een vezelige structuur heeft, waarvan de vezels vertikaal staan (loodrecht op het oppervlak). In het ijs bevinden zich vele luchtbelletjes, veelal in de vorm van cilinders. Lucht (mede door afgifte van groene planten) ontsnapt tijdens het bevriezingsproces uit het water en wordt door het ijs ingesloten tijdens de poging om naar boven toe te gaan en te ontsnappen.
IJs vormt zich in het beginstadium door ijsnaalden die zich plots vormen, door het water schieten en aansluiting zoeken met elkaar. Door de afgestane stollingswarmte wordt dat in het begin versneld en kan, nadat de kritieke temperatuur is bereikt, in een aantal minuten een dun laagje ijs (frazil-ice) gevormd zijn. 
Hoe kouder het ijs, hoe lichter het is. Zoals we al zagen, heeft water onder de 4 graden een steeds lager wordende soortelijke massa. Bij -2 graden weegt zuiver ijs ca. 0,92 kg per 1 liter, bij -10 ongeveer 0,85 kg per liter.

Sterkte 
Wanneer kan ijs mij houden? Het is niet altijd zo dat ijs een vaste minimale dikte moet hebben. Ook de kwaliteit bepaalt de sterkte en draagkracht van het ijs. Meer ingesloten lucht veroorzaakt een grotere broosheid en dus minder sterk ijs. Hoe helderder het ijs van kleur is, hoe steviger het is en hoe meer draagkracht het heeft. Gemiddeld mag je uitgaan van een minimale dikte van 7 á 8 cm helder ijs. 14 cm ijs kan een kleine auto houden, een vrachtwagen of een grote mensenmenigte bij 30 cm en een treinstel blijft staan op een ijsvloer van ongeveer 45 cm.

Kleur 
IJs is helderder en bevat minder luchtbelletjes wanneer het langzamer (bij minder lage temperaturen onder nul) bevriest. Ook de hoeveelheid opgeloste stoffen bepaalt de kleur, het ijs is veel witter wanneer er veel stoffen in voorkomen.

Soorten 
In ondiepe wateren kunnen de ijsnaalden ook aan de bodem vastvriezen. Dit ijs heeft een grijze of beige kleur en wordt grondijs genoemd en ontstaat het meest bij stromende ondiepe rivieren. In rivieren en op grote meren (ook op het IJsselmeer) ontstaat vaak eerst het pannenkoekijs, ronde vellen van ijs, die door de stroming en wind tegen elkaar botsen en geleidelijk zullen vastvriezen zodat uiteindelijk een homogene ijslaag ontstaat.

Wakken
Maar dan heb je een leuke laag ijs, zitten er wakken in! En die verdwijnen meestal maar langzaam. Wakken ontstaan aan de lijzijde van een oeverwal waar de wind op iets grotere afstand van de kant het water weer kan bereiken en daar het diepere, warmere water aanzuigt en concentrisch door het wak laat stromen. Daar duurt het dus langer voordat ijsvorming optreedt. Windstil weer met minstens matige vorst kan dan uitkomst bieden.

Hoe dik was het ijs in Nederland in het verleden?

Voor zover gebleken of gemeten, is ons ijs in de meeste jaren maximaal 10 tot 15 cm dik. In sommige jaren met koude of zeer koude winters met langdurige vorstperioden (bijv. 1940, 1979, 1985, 1987) lukt het om een ijsvloer van soms tot 25 of 30 cm te realiseren. In de beruchte winter van 1963 zijn zelfs ijsdikten van ruim 40 cm gemeten. Met de Friese Elfstedentochten is de ijsvloer meestal een 15 tot 20 cm dik, in sommige jaren tussen de 20 en 25 cm.

Veiligheid op het ijs

Ga pas op het ijs als deze minimaal 8 cm dik is en een vrijwel egale grijze kleur heeft. Bovendien moet de ijsvloer droog en vlak zijn. Pas dan kunt u verzekerd zijn van een voldoende sterke ijsbaan. Controleer ook de plekken aan de oevers en onder bruggen. Daar is het ijs minder dik en dus minder draagkrachtig.
Ga na het begin van een dooiperiode of na een dag met regen niet meer het ijs op. IJs dooit sneller dan u denkt en wordt behalve dunner ook brozer waardoor het – ondanks de nog mogelijk behoorlijke dikte – veel minder draagkracht bezit.

Zakt u toch onverhoopt door het ijs dan kunt u – wanneer u alleen bent – het volgende doen:
Vermijd zoveel mogelijk heftige bewegingen. Brokkel het ijs af totdat u een steviger stuk ijs tegenkomt. Plaats uw rug dan tegen de harde rand en zet met uw benen aan de andere kant af en probeer er zo uit te klimmen. Dat geldt ook wanneer u in een bijt (open plek voor vogels) terechtkomt.
Als u eruit bent, kruipt u plat over het ijs van het wak of de bijt weg en sta pas op een afstand van enkele tientallen meters op. Liggend verdeelt u namelijk uw lichaam dan wanneer u rechtop staat.
Als u hulp moet bieden, het volgende. Ga plat op uw buik liggen en kruip naar het wak toe. Probeer het slachtoffer met uw hand uit het water te trekken, het liefst met een touw, stok of aanelkaar geknoopte jassen om voldoende afstand te houden tussen u en het zwakkere ijs rond het wak.

Wanneer iemand onder het ijs terechtkomt is haast geboden. Binnen enkele minuten kan de dood intreden doordat het ijskoude water het lichaam onderkoelt. De lichaamstemperatuur daalt snel en zal er beneden 33 graden spoedig bewusteloosheid intreden. Ademhaling en hartslag zijn nauwelijks voelbaar. Beneden 28 graden zijn de overlevingskansen gering.
Gaat u te water dan is het zaak om u aan een levenslijn vast te maken en deze door een ander vast te laten houden. Spreek af dat u na ongeveer 30 seconden weer bovenkomt of anders de lijn laat aantrekken.
Een voordeel voor het slachtoffer kan zijn wanneer felkleurige kleding wordt gedragen. Soms kun je dan het slachtoffer door het ijs zien liggen en de reddingsplaats snel bepalen.