Van sneeuw naar glad ijs

1 dag geleden 4

De afgelopen weken trok op tv een hele waaier aan creatieve manieren voorbij waarop de mens de gladheid van ijs competitief uitbuit. Schaatsen, curling, rodelen en bobsleeën, allemaal technieken om het gebrek aan wrijving van een ijsoppervlak te bedwingen. Nog maar een paar maanden geleden waren het drie natuurkundigen – een Marokkaan, een Rus en een Duitser – die de ijsvloer aanveegden met het tweehonderd jaar oude idee dat ijs zo glad is doordat het onder druk een lager smeltpunt krijgt, en er daardoor onder een schaats of schoen een microscopisch dunne glijlaag van water ontstaat. Onzin, blijkt na zeer gedetailleerde computersimulaties van het gedrag van ijs onder de druk van een schaatsijzer, ski of schoenzool. Die gladde laag ontstaat inderdaad, maar niet door de druk die wordt uitgeoefend. Het heeft alles te maken met de manier waarop een schoen of schaats het kristalrooster van het ijs verstoort.

Even naar het begin. IJs bestaat uit bevroren watermoleculen, die eruitzien als een soort V met in de punt een zuurstofatoom en aan de twee uiteinden een waterstofatoom. De positief geladen waterstofatomen worden aan het negatief geladen zuurstofatoom gebonden. Maar door de V-vorm is er per saldo een negatieve en een positieve kant aan het molecuul: het wordt een minimagneetje. Als water bevriest, dan klikken die magneetjes precies in elkaar in een zeshoekige honingraatstructuur. Ga je op dat ijs staan, dan wordt het bouwwerk van magneetjes verstoord. Een deel van de ijsmagneetjes richt zich naar de moleculen in de schoenzool of in het schaatsijzer. Het uit elkaar vallende magneetjesrooster krijgt de eigenschappen van vloeibaar water, waarin de moleculen immers ook willekeurig gerangschikt zijn. Dat ijs glad is komt dus niet doordat het smeltpunt van ijs wordt verlaagd onder druk, maar doordat de kristalstructuur wordt doorbroken, waardoor het ijs eigenschappen van vloeibaar water krijgt.

Sneeuw is minder glad dan een strakke ijsvloer. Dat heeft ermee te maken dat een sneeuwoppervlak veel ruwer is en daardoor meer wrijving geeft. De afgelopen weken is er op de olympische skipistes geprobeerd om sneeuw een perfecte combinatie van eigenschappen te geven: glad als ijs als je rechtdoor skiet, maar vervormbaar en wrijving gevend als je een bocht in de sneeuw kerft.

In Antarctica duurt het ongeveer 2.000 jaar voordat de sneeuw is samengedrukt tot ijs

Loeizware pistenbully’s maken van losse sneeuw een stevige piste die lijkt op ijs. De natuur zelf maakt van sneeuw ook ijs, alleen duurt dat proces eeuwen in plaats van één nacht. Het heet compactie en is de reden dat we gletsjers op aarde hebben. Gletsjers ontstaan waar er in een jaar meer sneeuw valt dan er smelt. Er blijft aan het eind van het smeltseizoen dan een laag eeuwige sneeuw over, en daarop valt dan weer een nieuwe laag sneeuw. Onder zijn eigen gewicht wordt de sneeuw samengeperst tot ijs. Dat ijs is stroperig en glijdt van de berg naar beneden.

Het samendrukken wordt helemaal gedaan door de zwaartekracht, en dat gaat langzaam. Zeker als de sneeuw koud is. In Antarctica duurt het ongeveer 2.000 jaar voordat de sneeuw is samengedrukt tot ijs. In Groenland 500 tot 1.000 jaar, want het is er warmer en dan vervormen de ijskristallen veel sneller. Het zorgt ervoor dat op gletsjers en op de ijskappen van Groenland en Antarctica een tientallen meters dikke laag sneeuw ligt, die dichter wordt naarmate je dieper komt. Nu Groenland opwarmt zijn er twee processen waardoor sneeuw sneller in ijs verandert. Ten eerste sijpelt er steeds meer smeltwater vanaf het oppervlak de sneeuwlaag in, en die bevriest op enige diepte. De energie die vrijkomt bij bevriezing is enorm – meer dan de energie die je wint als je water afkoelt van 100 naar 0 graden. Door al die energie warmt de sneeuw op, en dan gaat de compactie steeds sneller. Je kunt dat voelen als je op een klein ijsblokje kauwt: als het ijs koud is vervormt het nauwelijks. Maar als het ijs in je mond goed aan het smelten is, dan merk je dat het ijs bijna als kauwgom vervormt. En in de tweede plaats herbevriest al dat smeltwater rechtstreeks tot een ijslaag. Je slaat eeuwen aan compactie van droge sneeuw over.

De dikke laag sneeuw op gletsjers en ijskappen werkt als een enorme spons. Van alle sneeuw die in de zomer op Groenland smelt, blijft ongeveer de helft achter in de poriën van de sneeuw en bevriest. De andere helft stroomt af in de oceaan. Kortom, de sneeuw van Groenland matst ons door de zeespiegelstijging te halveren. Doordat de sneeuw steeds sneller in ijs verandert, neemt de omvang van die spons razendsnel af. Dat verhoogt de toekomstige bijdrage van smelt aan de zeespiegelstijging. We zien dit proces al sinds de jaren 90. Sinds toen onderhoudt de Universiteit Utrecht ieder jaar een paar meetlocaties in het westen van Groenland. Een van die stations stond voorheen in de sneeuw. Nu is het een ijsvlakte met ’s zomers waterstroompjes. Weg bufferende spons.

De versnelling van de sneeuwcompactie op Groenland gaat door de opwarming waarschijnlijk nog steeds een stuk langzamer dan je met een pistenbully kunt bereiken. Maar het versnelt de huidige afsmelting van de Groenlandse ijskap, sneller dan voorgaande periodes van natuurlijke krimp. De volledige afsmelting van Groenland is pas net begonnen, maar ze is recordsnel uit de startblokken vertrokken. Een twijfelachtige gouden medaille voor het antropoceen ligt in het verschiet.