In de NRC van 22 november 2022 staat een artikel over Zweeds onderzoek naar ijsvorming op de Noordpool (en omgeving). IJsvorming in zout water verloopt anders dan in zoet water.
Voor we naar het zoute zeewater gaan, kijken we eerst wat er met gewoon (‘zoet’) water gebeurt.
Zoet water
Stel de temperatuur in een meer is eerst 4 oC.
De zon zorgt voor opwarming van het water. De bovenlaag stijgt daardoor in temperatuur; onderin blijft het nog 4 oC (zie het linkerdeel van figuur1).
a) Leg uit dat het onderin nog 4 oC is las het bovenin 8 oC is.
Door het uitzetten is de dichtheid van water van 8 oC kleiner dan die van 7 oC. Water is een slechte warmtegeleider. Dus dit laagje van 8 oC blijft boven. En het laagje van 7 oC drijft op dat van 6 oC, enzovoorts. Door de slechte geleiding duurt het lang voordat al het water opgewarmd is.
Maar zoet water wijkt af van andere vloeistoffen: als de luchttemperatuur beneden 4 oC daalt, dan krimpt het water niet verder maar het zet uit! De gevolgen zijn opmerkelijk. Na een tijdje is de temperatuurverdeling zoals in het rechterdeel van figuur 1. Als het boven het water nóg kouder wordt, kan een ijslaag ontstaan waar je zelfs op kunt schaatsen terwijl onderin de vissen nergens last van hebben.
b) Leg uit dat water van 4 oC zich onderin bevindt.
Als water afkoelt van 8 oC tot 4 o0C wordt de dichtheid groter, maar bij verdere afkoeling beneden 4 oC weer kleiner. De dichtheid van water van 4 oC is dus het grootst. Dat water ligt dus op de bodem.
c) Verklaar het ontstaan van de temperatuurverdeling zoals afgebeeld in het rechterdeel van figuur 1.
Onderin bevindt zich water van 4 oC. Daarboven komt de laag van 3 oC, met iets kleinere dichtheid. Enzovoorts. Bovenin is het 0 oC.
d) Leg uit dat boven op het water een ijslaag ontstaat.
De dichtheid van ijs is kleiner dan die van water. Daarom drijft ijs op water.
Ijsbergen en ijsschotsen
Nu gaan we naar de Noordelijke IJszee. Daar drijven ijsbergen. Een ijsberg ontstaat als een stuk van een gletsjer afbreekt (zie figuur 2).
Dat blijft dan drijven in zeewater, waarna het langzamerhand smelt.
e) Bestaan ijsbergen uit ‘zoet’ of zout water?
Gletsjers zijn ontstaan uit sneeuw. Dat is gewoon water, ofwel ‘zoet’ water. IJsbergen bestaan dus uit (bevroren) zoet water.
De ijsschotsen van de Noordpool (zie figuur 3) zijn niet ontstaan door het afkalven van gletsjers, maar door het bevriezen van zeewater. Het zeewater heeft in het poolgebied een vrij constante temperatuur van –1,8 oC. Boven zee is het in de wintermaanden echter bitterkoud: gemiddeld meer dan twintig graden onder nul. Logisch dat er dan ijs komt, zou je denken.
Maar in de NRC van 22 november 2022 staat: “Omdat warm zout water opstijgt, zou ijsvorming in zee onmogelijk moeten zijn.” De krant schrijft dat zoutmoleculen tussen de watermoleculen gaan zitten. De dichtheid is daardoor groter naarmate er meer zout in het water zit. Bovendien zet ijskoud zeewater uit bij temperatuurstijging, net zoals normale vloeistoffen. Dat is dus anders dan bij water, dat tussen 0 oC en 4 oC krimpt.
f) Wat gebeurt er met de dichtheid van zeewater dat afkoelt?
(Als het bij temperatuurstijging uitzet, krimpt het bij temperatuurdaling.) Dan wordt de dichtheid groter.
g) Wat zal er dus in de poolwinter gebeuren met de bovenste laag zeewater?
(De bovenlaag van het water zal dan sterk afkoelen, waardoor de dichtheid groter wordt.) Deze laag zal daarom zinken.
h) Leg uit dat er daardoor geen zee-ijs zou ontstaan.
Met de nieuwe bovenlaag gebeurt hetzelfde. Ook die koelt af en gaat zinken. Telkens weer is er een nieuwe bovenlaag. Aan bevriezen komt de bovenlaag zo niet toe.
Diepe lagen
En toch breidt het ijs van de Noordpool zich ’s winters uit. Hoe kan dat? Wetenschappers van de Universiteit van Gothenburg hebben een verklaring gevonden. De bovenste laag zeewater is als gevolg van neerslag relatief zoeter waardoor het lichter is en bovendien kouder.
i) Waarom is het water bovenin zoeter?
Het water bovenin is zeewater waarin de neerslag – sneeuw, dus zoet water – terecht is gekomen. Daardoor is het zeewater minder zout, ofwel zoeter.
j) Waarom is het kouder?
Het is de winterse neerslag van het zeer koude noordpoolgebied. En de temperatuur van de lucht erboven is ook zeer laag.
Dat verklaart nog niet dat er ijs ontstaat. Normaal gesproken komt in de oceanen warm water vanuit de diepte omhoog en het mengt zich dan met water aan de oppervlakte. De onderzoekers zeggen dat dat echter in de poolgebieden niet gebeurt. Daar ontstaan lagen met verschillend zoutgehalte én verschillende temperatuur. Het water uit de diepte van de oceaan botst als het ware tegen de bovenste laag.
k) Wat kun je hieruit afleiden over de dichtheid van het water van de bovenste laag? En wat is daarvan de oorzaak?
Ondanks de lagere temperatuur is de dichtheid kleiner dan de laag eronder. Dat komt dus door het lagere zoutgehalte.
l) Leg nu uit dat er ijs kan ontstaan in de Noordelijke IJszee.
Het zoetere en tevens koudere zeewater van de bovenste laag drijft op de laag eronder. De bovenste laag zeewater bevriest onder invloed van de zeer lage luchttemperatuur. Zo ontstaat een laag van zee-ijs.
Dat is de reden dat in de winter het poolijs in omvang toeneemt.
