Een opwaartse ijspegel (stalagmiet) bij vriezend weer

Een combinatie van oostenwind en lage temperaturen uit het oosten, doet water bevriezen. Water in slootjes, water in plassen en water in de emmer die buiten is blijven staan, in glas buiten, regenmeters, vogeldrinkbakjes of de drinkfles voor het konijn buiten. Heel soms kan het gebeuren dat er een ijspegel ‘groeit’ op het bevroren oppervlak van een open schaal of emmer. Een rechtopstaande, enigszins schuin lopende ijspegel naar boven. Een magisch moment om mee te maken, want hoe is dát mogelijk?

• Vriesweer
• IJspegel als een stalagmiet
• Dichtheid van het water
• De watermoleculen
• Zwaarder
• Hoe ontstaat een ijspegel
• Een klein schaaltje of open water

Vriesweer

Vriezend weer laat water veranderen in ijs. Zodra het goed vriest buiten, gaat water geleidelijk over in ijs. Er zijn verschillende vormen van vorst. Namelijk:

• vorst aan de grond (of nachtvorst). De temperatuur aan de grond komt nét iets onder het vriespunt en de waterdruppeltjes van de dauw aan onder ander de grassen, bevriezen dan. Dit is vaak waar te nemen als rijp;
• lichte vorst. Bij -0,1 tot -5,0 graden;
• matige vorst. Bij -5.1 tot-10,0 graden;
• strenge vorst. Bij -10,1 tot -15.0 graden;
• zeer strenge vorst. Bij -15,1 graden of meer.

IJspegel als een stalagmiet

En heel soms ontstaat er op een open schaal, emmer of bakje op het bevroren oppervlak een ijspegel. Een ijspegel die schuin naar boven wijst met een slanke vorm en een spitse punt. Maar staande pegels zie je toch alleen in de druipsteengrotten van Limburg en hier staat een opstaande ijspegel op de bevroren oppervlakte van een vogeldrinkbak. Hoe kan een stalagmiet in een nacht groeien?

Dichtheid van het water

Een van de redenen is dat water in vloeibare vorm een lagere dichtheid heeft dan water in vaste vorm (ijs). Het water zet uit bij bevriezing. De dichtheid, soortelijk gewicht of soortelijke massa, van water is afgeleid van een standaard atmosferische druk die gebaseerd is op de gemiddelde luchtdruk op zeeniveau. Deze dichtheid is het grootst rond de vier graden boven nul. De dichtheid van water wordt uitgedrukt in kilogram per vierkante meter (kg/m3). De dichtheid van vloeibaar water rond de vier graden, is 999,972 kilogram per kubieke meter (kg/m3) en de dichtheid van ijs is 917 kg/ m³. Water als vaste stof (ijs) is dus veel minder dicht dan de vloeibare vorm (water). De oorzaak hiervoor is de veranderende ligging van de watermoleculen.

De watermoleculen

Water is de enige materie die uitzet als het kouder wordt. Water dat overgaat van vloeibaar tot een vaste toestand, noemen we rijpvorming of bevriezing. Een watermolecuul heeft twee verschillende polen, een min- en pluspool (dipool). Bij vloeibaar water hebben de plus- en de minpolen geen last van elkaar en de aantrekkende kracht van de polen houden de watermoleculen dicht bij elkaar. Ze kronkelen om elkaar heen door de afstotende en aantrekkende polen. Als het water gaat bevriezen gaan de pluspolen en de minpolen echter steeds minder bewegen en neemt het effect toe dat gelijksoortige polen elkaar afstoten. De watermoleculen nemen meer ruimte in voordat ze niet meer kunnen bewegen. Ze gaan zich ordenen in een zeshoekig patroon en nemen daarom veel meer ruimte in. De reden dat het bevroren water uitzet.

Zwaarder

Is door bevriezing van water in ijs, het ijs zwaarder dan het vloeibare water? Neen, het water neemt bij bevriezing in volume toe maar niet in gewicht. Vanaf het vriespunt (of smelttemperatuur) wordt het water niet lichter, maar wel wordt de massa meer, de soortelijke massa of dichtheid. Het totale gewicht blijft na de smelttemperatuur gelijk, de massa neemt toe. Het bevriezende water zet uit maar krijgt een ongeveer 10% lagere dichtheid dan het vloeibaar water.

Hoe ontstaat een ijspegel

In de vogeldrinkbak groeit het ijs en neemt steeds meer ruimte in beslag. Het drukt tegen de randen van de vogeldrinkbak en op het nog niet helemaal bevroren water. Het water moet ergens heen en zoekt een zwakke plek in het oppervlak. Dit is er vaak niet (vandaar dat het een redelijk zeldzaam fenomeen is), maar wanneer er wél een zwakke plek gevonden is, zal het water wat nog aanwezig is, door het bevroren oppervlak geperst worden en bij matige tot strenge vorst onmiddellijk bevriezen. Van onderaf wordt het nog aanwezige vloeibare water naar de oppervlakte gebracht waar het dan in een staande ijspegel of een stalagmiet van ijs verandert.

Meer ruimte
Doordat de watermoleculen bij bevriezing uitzetten hebben ze meer ruimte nodig. In een zinken emmer, betonnen of terracotta drinkbak, kan het nog niet bevroren water, dat in de knel komt, alleen via een zwakke plek in de ijzige oppervlakte omhoog en ontstaat de ijspegel. In een glas is het echter een ander verhaal. Een glazen lichtje buiten staat gezellig in de tuin met een kaarsje erin. Maar het regent vaak en de regen blijft staan in het glas. Totdat het gaat vriezen en het water bevriest. Het bevriezend water zet uit en zal de gemakkelijkste weg zoeken. Het glas zal kapot knappen en het ijs krijgt zo ‘de ruimte’.

Een klein schaaltje of open water

In een emmer of vogeldrinkbak kan een opwaartse ijspegel wel tien tot twintig centimeter lang worden. Op open water dat bevriest komt een ijspegel echter nooit voor. Bij sloten of vijvers, zijn er kansen genoeg om de toenemende ruimte die ijs nodig heeft op te vangen. De mogelijkheid van het bevriezende water om uit te zetten wordt niet tegengehouden door kanten en bodems. Het zijn puur de afgesloten ondiepe schalen en emmers die een ijspegel kunnen geven bij de juiste weersomstandigheden.