Bij ijsgroei spelen niet alleen weerkundige factoren boven het ijs een belangrijke rol maar ook het water eronder. Met behulp van een ijsgroeimodel wil ik een paar interessante facetten laten zien. In dit model worden niet alleen gegevens over straling, temperatuur, vochtigheid en windsnelheid ingevoerd maar kunnen ook water- en bodemtemperatuur worden berekend. Het model berekent stapje voor stapje vooruit in 48 keer. Bij stapjes van 1 uur kan er twee etmalen vooruit worden gerekend bij 2 uur 4 etmalen. Voor het behoud van stabiliteit in de berekening wordt de oppervlaktetemperatuur van het ijs in nog kleinere stapjes berekend. Veel parameters moeten nog beter (empirisch?) worden getuned.
Gedrag watertemperatuur bij ijsvorming: eerst afkoeling daarna weer opwarming.
Bij invallende vorst verliest het water veel energie en koelt flink af. Omdat er beweging is, zeker bij wind, mengt het water goed en koelt ook de bodem af. Als de oppervlakte temperatuur onder 0°C daalt begint de ijsvorming. Wanneer er een laagje ijs onstaat is het energieverlies nog steeds groot maar wordt nu omgezet in ijsvorming. Bij het stollingsproces komt latente warmte vrij die via straling, verdamping en directe warmteafgifte wordt afgegeven aan de atmosfeer. Het onderliggende water koelt nauwelijks nog af. Maar de bodem is nog warm, zeker als je wat dieper graaft. Die warmte trekt vanuit de bodem onderin het water, wat geleidelijk weer in temperatuur stijgt.
In onderstaande figuur zien we dat na 24 uur er een ijslaag onstaat op water van 1 meter diepte.
De watertemperatuur daalt aanvankelijk in alle lagen en wordt het laagst in de bovenste laag (L1 = de bovenste 25 cm). Na ijsvorming warmt het water echter weer op, inclusief de bodem. (De bodemtemperatuur op 30 cm wordt gegeven en blijft constant bij deze berekening).
(Invalid img)
(Invalid img)
Afhankelijk van de turbulentie (door stroming en convectie) breidt de opwarming van het water zich meer of minder snel uit tot vlak onder het ijs. Van hieruit onstaat een energiestroom die de ijsgroei remt en bij het ontbreken van vorst onstaat slijtage zodat dikte en betrouwbaarheid afnemen.
Dagelijkse gang
Bij ijsgroei treedt ook dagelijkse gang op als gevolg van instraling door de zon. Een deel van de zonnestraling wordt gereflecteerd, een deel wordt door het ijs geabsorbeerd maar ook een deel gaat er doorheen en verwarmt het water onder het ijs. De variatie in ijsoppervlaktetemperatuur wordt veroorzaakt door directe instraling maar ook indirect door de dagelijkse gang in luchttemperatuur. In het water, en zelfs in de bodem is soms ook dagelijkse gang te bespeuren als gevolg van zonnestraling door het ijs. Hoeveel straling doordringt hangt af van het weer (zon of bewolkt), de tijd van het jaar en dag maar ook van het soort ijs. Een besneeuwde laag ijs laat nauwelijks zonlicht door, zwart ijs daarentegen het meest.
De onderstaande figuren gelden voor een zonnige vorstperiode (16,8 hellmannen) eind februari in midden-Nederland met water van 1 meter diepte (weer onderverdeeld in vier lagen van elk 0,25 m (L1 t/m L4)).
De eerste laat de stralingsbalans zien.
De tweede de ijsgroei en de derde de water- en bodemtemperatuur.
Er is een duidelijke dagelijkse gang te zien, ook in de ijsdikte. Het ijs neemt overdag zelfs iets in dikte af. Aangezien het ijsoppervlak bij deze berekening onder nul blijft en aan zou moeten blijven groeien komt het afsmelten vanaf de onderkant. Zonnestralen verwarmen het water door het ijs en dat warmere water remt vervolgens de ijsgroei weer af.
Verder gaat het model ervan uit dat de zonnestraling gelijk over alle waterlagen wordt verdeeld. Bij troebel water zal juist de bovenste laag sterker opwarmen en de diepere lagen koud blijven. Het ijs op ondiepe drekslootjes neemt op een zonnige februarimiddag snel in betrouwbaarheid af.
(Invalid img)
(Invalid img)
(Invalid img)
Bemaling
Stroming onder het ijs kan tot gevaarlijke toestanden leiden op het buitenwater.
Zolang het water in rust is zijn de warme, diepere lagen goed van de koude laag, vlak onder het ijs, gescheiden. Beneden 4 graden wordt water lichter bij afnemende temperatuur. De koudste lagen drijven dan op de warmere lagen. Indien het water warmer is dan 4 graden neemt de dichtheid af met stijgende temperatuur.
Beneden de 4-graden isotherm is de opbouw van het water licht onstabiel. Dit zou tot convectie kunnen leiden waardoor warmere bellen vanaf de bodem naar het boven borrelen (vergelijkbaar bij een onstabiele atmosfeer). Toch blijft het ijs goed van het warme water geïsoleerd. Het wordt anders wanneer het water stroomt. Dan onstaat er turbulentie, eventuel nog versterkt door het reliëf van de bodem, waardoor de waterlagen goed mengen en bodemwarmte effectief naar boven wordt getransporteerd. Er bevindt zich dan een sterke temperatuurgradiënt in de eerste cm's onder het ijs zodat er veel warmte kan worden afgegeven waardoor het ijs snel in dikte afneemt. Als er nog geen ijs ligt vriest het water ook moeilijk dicht. Pas bij (zeer) strenge vorst is de warmteflux naar de atmosfeer groot genoeg om het warmtetransport door het water te compenseren.
Omdat de warmteflux uit het water, ook bij gammele ijsvloer veel groter is dan bij stilstaand water koelen bodem en water in zijn geheel op den duur wel af.
Onderstaande figuren laten de gevolgen zien waneer water in rust na 36 uur plotseling in beweging komt. Dit kan gebeuren wanneer er wordt bemalen zodat er grote hoeveelheden water worden ingepompt die voor stroming en turbulentie zorgen. De ijsdikte neemt op het 1,5 meter diepe water rap af. Verder zie je in de onderste figuur hoe de watertemperaturen in de verschillende lagen naar elkaar toe trekken maar wel een algeheel dalende trend inzetten, inclusief bodemtemperatuur. In dit rekenvoorbeeld neemt de energieflux van water naar ijs toe van circa 30 W/m2 naar wel 300 W/m2.
(Invalid img)
(Invalid img)
Samengevatting en conclusie:
Onder het ijs doen zich verschillende processen voor die de watertemperatuur beïnvloeden en daarmee ook de ijsgroei. Hierbij spelen factoren als bodemtemperatuur, duur van ijsbedekking, instraling van de zon en turbulentie de hoofdrol.
Voor wie veilig wil schaatsen op natuurijs is het belangrijk met deze aspecten rekening te houden en zijn bij de ervaren natuurschaatsers vaak ook wel bekend. Het verraderlijke is dat de slijtage aan de onderzijde plaats vindt en daardoor dus moeilijk is te zien. Bij aanhoudende lichte tot matige vorst is de schade beperkt. De aangroei, als gevolg van energieverlies naar boven, is dan meestal (veel) groter dan het afsmelten van onderen. Maar bij aanhoudend kwakkelweer is het oppassen geblazen. Een ijsvloer, waarop enkele dagen terug nog prima kon worden geschaatst kan ineens onbetrouwbaar zijn geworden, ook al heeft het nauwelijks gedooid.
Ook de ijspluim van het KNMI dient met de nodige voorzichtigheid te worden geinterpreteerd. Deze ijsdiktes gelden namelijk voor een 2m diepe vijver met stilstaand water en daarbij wordt onvoldoende rekening gehouden met warmteuitwisseling uit de diepte.
Desondanks wens ik iedereen veel schaatsplezier.
Victor
Quote selectie