De koudegolf van 2012 heeft ons niet koud gelaten. Tot teleurstelling van velen zat een zestiende Elfstedentocht er niet in. Het ijs bleek op veel plaatsen net niet, of zelfs verre van, dik genoeg.
Wat heeft ons ditmaal de das omgedaan? Was het de temperatuur? Waren het de sneeuw, zon of wind? De (veel) te warme december en januari misschien? Of toch klimaatverandering? Een inventarisatie.
Dat een aantal opeenvolgende ijsdagen nodig is om een minimaal 15 centimeter dikke ijslaag op de Elfstedenroute in Friesland te geven behoeft geen betoog. Zonder vorst geen ijs. Maar hoeveel kou was historisch gezien noodzakelijk? En hoe dik was daarbij het ijs?
Omdat er tot voor kort geen lange homogene reeks van de temperatuur in het noorden van het land was, heeft men traditioneel de temperatuur in De Bilt als uitgangspunt genomen. Voor de meeste locaties in Friesland blijkt er meestal een vrij lineaire relatie met de temperatuur in De Bilt te zijn. Om een maat te hebben voor de dikte van het ijs is gebruik gemaakt van het KNMI ijsmodel [de Bruin en Wessels, 1988]. Dit model bepaalt de aangroei en afsmelt van ijs voor water van opgegeven diepte op basis van lokaal beschikbare meteorologische gegevens (meestal wordt meetstation Eelde gebruikt voor Noord-Nederland).
Gebruik makend van deze twee gegevens – de gemiddelde temperatuur in De Bilt en de berekende dikte van het ijs volgens het KNMI ijsmodel – hebben Visser en Petersen [2009] laten zien dat historisch gezien de Elfstedentocht meestal gehouden kon worden als het gedurende 15 (aaneengesloten) dagen gemiddeld kouder was dan -4.2°C of als de gemiddelde ijsdikte volgens het KNMI ijsmodel meer dan 20 centimeter was (Figuur 2). Twee keer (1909 en 1985) werd de tocht wel verreden hoewel het ijsmodel een kleinere dikte aangaf. In 1909 werd de tocht door 23 (!) toerrijders verreden na slechts enkele dagen vorst en bij sterk dooiweer. In 1985 werd de tocht in eerste instantie afgelast, maar kon na een tweede vorstperiode later die winter toch nog verreden worden (opnieuw dooiweer). In de afgelopen eeuw kwam het daarentegen ook vier keer (of zeven keer, indien men de 'bijna tochten' meerekent) voor dat de tocht niet verreden werd ondanks dat het temperatuurcriterium gehaald werd. In slechts een van die vier gevallen (1971) gaf het model daarbij ook daadwerkelijk te weinig ijs.
De huidige vorm van de tocht, een wedstrijdrace (paar honderd profs) en een toertocht (16.000 deelnemers) vereist een zeer duidelijk veiligheidsbeleid. Doorgang kan plaatsvinden als over de gehele route de waargenomen ijsdikte minimaal 15 centimeter is. Het is aannemelijk dat dit beleid voor de eerst georganiseerde, kleinschalige Elfstedentochten minder streng was. Met huidige massaliteit zou de tocht van 1909 waarschijnlijk niet plaatsgevonden hebben.
Er zijn voor de organisatie ook voordelen aan het leven in de 21e eeuw. De koudegolf werd ruim op tijd opgepikt door de weermodellen. Dit had tot gevolg dat gemalen en scheepvaart over de kanalen in Friesland stil gezet konden worden nog voordat de vorst het land had bereikt, om zo de eerste ijsdagen niet te mis te lopen. Waterverontreiniging, nog een probleem in de jaren 70 en 80 van de vorige eeuw, speelde nu ook minder. Nederland was in rep en roer en er werd alles op alles gezet om de tocht te kunnen uitschrijven.
Het werd ook erg koud. In de koudegolf van 2012 was met een 15-daags gemiddelde van -5.8°C van 29 januari tot 12 februari in De Bilt ruimschoots voldaan aan het temperatuurcriterium uit Visser en Petersen [2009]. Het KNMI ijsmodel bleef echter steken op 17.1 centimeter (Figuur 3) en kwam niet tot de 22-27 centimeter die we historisch gezien konden verwachten bij deze temperaturen (Figuur 2). Het ijscriterium werd dus niet gehaald. Een Elfstedentocht bleek ook onmogelijk. Hierin zijn het ijsmodel en de realiteit dus consistent. Maar waarom wilde het ijs niet dikker worden in Friesland? Kunnen we een oorzaak vinden voor het te dunne ijs? Overigens schaatsten (vermoedelijk) enkele honderden mensen de Elfstedenroute wel dit jaar, op eigen houtje. “De eerste 100 km was puur genieten, tijdens de tweede helft kwamen vermoeidheid, pijntjes, valpartijen en het donker de pret wat drukken, maar uiteindelijk overheerst de euforie: ik heb de Elfstedentocht volbracht!”, aldus de Utrechtse klimaatwetenschapper Michiel Helsen die de tocht dit jaar samen met enkele vrienden (en een begeleidend busje) uitreed.
Theoretisch verandert water in ijs bij 0 °C. En dus lijkt het eenvoudig een schatting te maken van de ijsdikte op basis van dag-gemiddelde temperatuur Tg: IJsaangroei bij Tg < 0 en afsmelt bij Tg > 0. de Bruin en Wessels [1990] en de Bruin [2010] geven een heldere beschrijving van de redenen waarom ijsgroei in de praktijk op sloten en meren toch niet altijd even makkelijk plaats vindt.
Ten eerste moet het water voldoende worden afgekoeld voordat sprake kan zijn van ijsvorming. Deze afkoeling vindt plaats door warmte-uitwisseling met de bovenliggende lucht. Omdat water bij 4 graden zijn maximale dichtheid bereikt, zal tot het punt dat de hele waterkolom 4 graden is, het water goed gemengd zijn (het zware water dat boven gevormd wordt zakt namelijk naar beneden). Pas als de temperatuur van de hele waterkolom 4 graden bedraagt zal de toplaag verder kunnen afkoelen. Dit verklaart onder meer waarom diepe meren later bevriezen dan ondiepe slootjes.
De warmte-uitwisseling met de lucht zal sneller gaan als de temperatuur van de lucht lager is of als het waait. Wind is dus goed om een groot meer sneller af te koelen. Maar als het water eenmaal 4 graden is en de toplaag verder afkoelt door verdere warmteafgifte, vertraagt wind verdere ijsvorming. De door wind veroorzaakte wervelingen in het water zorgen voor menging van de koude toplaag met het diepere water. Dergelijke door wind veroorzaakte wervelingen in het water zorgen ook voor de bekende windwakken. Als er eenmaal een aaneengesloten ijsdek ligt kan de wind de ijsgroei weer versterken.
Ten tweede, als eenmaal een ijslaag gevormd is, zal het ijs zijn verdere groei (naar beneden, dieper het water in) steeds meer gaan belemmeren. De warmteafgifte kan nog steeds alleen via de lucht plaatsvinden, en dus moet de stollingswarmte die vrijkomt bij de ijsvorming zich eerst door het ijs heen bewegen, alvorens aan de lucht te kunnen worden afgegeven. Het ijs groeit dus steeds langzamer aan. Een ruwe maat voor de ijsdikte is dat deze (bij gelijkblijvende weersomstandigheden) met de wortel van de tijd toeneemt. Een sneeuwdek, zeker als de sneeuw recent gevallen is, werkt hierbij als een sterk isolerende deken. Hoewel temperaturen vlak boven de sneeuw zeer snel kunnen afnemen (en dit de gemiddelde temperatuur op thermometer hoogte sterk kan beïnvloeden), zal het vormende ijs nog meer moeite hebben om zijn warmte af te staan. Als de sneeuw langer ligt en inklinkt, neemt deze isolerende eigenschap weer enigszins af.
Als laatste noemen we hier de rol van de straling. Zonnestraling speelt een belangrijke rol, zeker in februari als de dagen weer langer worden. De instraling van de zon overdag zorgt voor opwarming van (met name) het zwarte ijs. Een dun sneeuwdek kan dan (door zijn hoge reflectie eigenschappen) weer compenserend werken. Overdag hebben we bij vriezend weer dus meer aan wat bewolking. ‘s Nachts juist weer niet, want wolken voorkomen de afkoeling door uitstraling. Kortom een subtiele balans van factoren.
Al deze factoren speelden in het verloop van de koudegolf van 2012 een rol. De koudegolf van 2012 werd voorafgegaan door een zeer milde start van de winter. Een maat voor de kou in een winter is het Hellmann getal. Het Hellmann getal verkrijgt men door etmaal-gemiddelde temperaturen onder nul bij elkaar op te tellen met weglating van het minteken. Tot de vorstinval stond het Hellmann getal op 0.1. Dit wil zeggen dat er 1 dag in De Bilt was geweest waarop de gemiddelde etmaal-temperatuur -0.1 °C was. Voor een gemiddelde winter staat dit getal eind januari rond de 30-40 (Figuur 4). Het is dus aannemelijk dat de ijsvorming in het begin werd geremd omdat het water simpelweg nog te warm was. “Mijn vijver had drie dagen nodig om dicht te vriezen”, aldus Harry Geurts van het KNMI. Dit versterkt het vermoeden dat de temperatuur van de meren hoger was dan normaal. Figuur 3 bevestigt dit. Temperaturen (zwarte lijnen) voorafgaand aan de ijsperiode waren flink hoger dan het langjarig gemiddelde (paarse lijn). Het ijs begon pas te groeien na twee ijsdagen.
Daarnaast speelde de zon een belangrijke rol. De eerste 10 dagen van februari 2012 behoren tot de zonnigste van de afgelopen 100 jaar. De zon droeg zeer waarschijnlijk dus ook bij aan de belemmering van de ijsgroei. Volgens ijsdeskundige Henk de Bruin, die aan de wieg stond van het KNMI ijsgroeimodel krijg je dan ijssmelt van onderaf. “Het zonlicht gaat door het ijs en warmt het water op”.
En toen was er de sneeuw. Net toen de eerste centimeters ijs gevormd waren, kwam er een zwak front over en viel er ongeveer 6 centimeter sneeuw. Deze sneeuw-depressie (met kerndruk 1033 hPa, vrij exceptioneel) ontstond doordat zeer koude lucht via een uitloper van het Siberisch hoog over de relatief warme Oostzee stroomde (Oostzee meer dan 2.5 graad warmer dan 1981-2010 gemiddelde in Januari 2012), en daarna verder intensiveerde over de eveneens voor de tijd van het jaar veel te warme Noordzee. De sneeuw viel op een erg ongunstig moment, namelijk juist in de periode dat het ijs de potentie had om het snelst te groeien. In Figuur 3 zien we direct respons: de groeisnelheid van het ijs neemt sterk af, ondanks de zeer lage temperaturen. De temperatuur was zo laag dat de sneeuw zeer poederig bleef. Poederige sneeuw isoleert beter dan plaksneeuw door de grote hoeveelheid lucht die erin zit opgesloten. Als de sneeuw later in de ijs-periode was gevallen, had wellicht sneller of zelfs direct actie ondernomen kunnen worden om deze van het ijs te vegen. De sneeuw matigde wel de invloed van opwarming door de zon. De invloed van de sneeuw op de temperatuur boven het sneeuwdek was echter enorm. Extreem lage temperaturen kwamen voor vlak boven het oppervlak. De 5-daags gemiddelde temperatuur bereikte dan ook reeds rond 5 februari zijn minimum, terwijl de ijsdikte toen nog gering was.
Het KNMI ijsmodel biedt de mogelijkheid de invloed van deze factoren te onderzoeken door de ijsdikte te berekenen in een (experimentele) omgeving waarin sommige er van uitgeschakeld zijn. We hebben twee situaties getest.
Als eerste een situatie waarin alle meteorologische condities dezelfde waren, maar de sneeuw werd weggelaten. Als we dit doen komen we uit op 23 centimeter ijsdikte (Figuur 3). Gegeven figuur 2 zou het dan vrijwel zeker mogelijk geweest zijn een Elfstedentocht te laten plaatsvinden. We moeten hierbij opmerken dat dit “no-snow” scenario de ijsgroei vermoedelijk overschat, omdat sneeuw, zoals reeds opgemerkt, een behoorlijke impact heeft op de temperatuur. De temperaturen zouden zonder de sneeuw zeker in de nacht enkele graden hoger zijn geweest, waardoor de ijsgroei minder snel zou hebben plaats gevonden.
Een historisch sneeuwvrij precedent met vergelijkbare temperaturen is beschikbaar. Op 4 januari 1997 werd de 15e Elfstedentocht verreden onder koude, maar sneeuwvrije condities. Vergelijken we de opbouw van het Hellmann getal in 2012 met dat in 1997 (Figuur 4) dan zien we dat de koudegolf van 2012 (qua temperatuur verloop) erg vergelijkbaar moet zijn geweest met die van 1997. Vijftien jaar geleden hield de kou echter langer aan en bleef het ook na de Elfstedentocht nog vriezen. Bij eenzelfde Hellmann getal (80-90) maar zonder sneeuw lukte het die winter dus wel...
In een tweede simulatie hebben we met het KNMI ijsmodel een simulatie gemaakt voor een historisch klimaat waar de gemiddelde temperatuur 1,5 graad lager lag dan de huidige, maar waarbij we wel de sneeuw, de zon en de andere meteorologische condities hetzelfde hebben gelaten. Nederland is sinds 1950 zo’n 1,5 graad opgewarmd [Kattenberg et al., 2008] en er zijn geen aanwijzingen dat de trend in de winter anders was dan in de rest van het jaar. Dit is een conservatieve schatting omdat koudegolven sterker opwarmen dan het gemiddelde onder invloed van de sterkere opwarming van Siberië [de Vries, 2011, de Vries et al., 2012]. In dat geval wordt een maximale ijsdikte van 20 centimeterbereikt (Fig. 3). Ook dat is een twijfelgeval met net niet of net wel een tocht.
Ondanks zeer lage 15-daags gemiddelde temperaturen, en maximale inzet van rayonhoofden, technische hoogstandjes (zoals ijs-transplantaties) en honderden enthousiaste vrijwilligers, heeft de koudegolf van 2012 niet voldoende ijsdikte opgeleverd om een zestiende Elfstedentocht mogelijk te maken. De 17.1 centimeter die het KNMI ijsmodel simuleerde (voor water van 2 meter diepte) was ook historisch gezien vrijwel nooit genoeg voor een Elfstedentocht. Sneeuwval vrij kort na het dichtvriezen van de meren heeft een belangrijke rol gespeeld in het afremmen van de ijsgroei, zo laat het KNMI ijsmodel zien. Tevens heeft de warme periode voorafgaand aan de koudegolf ertoe bijgedragen dat het twee ijsdagen duurde voordat het eerste ijs zich vormde. Simulaties met het KNMI ijsmodel laten tevens zien dat in een historisch, kouder klimaat (gemiddelde afkoeling van 1.5 graden), mogelijk een dikte van 20 centimeter gehaald was. Dit bevestigt eerdere berekeningen van het KNMI dat de kans op een Elfstedentocht door de opwarming van de aarde (en dus ook Nederland) kleiner is geworden [Brandsma, 2001]. Of een Elfstedentocht onder die koudere condities verreden had kunnen worden, is onduidelijk. Een simulatie zonder sneeuw geeft zelfs een maximale ijsdikte van 23 centimeter, maar deze ijsdikte is vermoedelijk te optimistisch omdat zonder sneeuw de temperaturen ook hoger geweest zouden zijn. Toch lijkt het er op dat de sneeuw ons uiteindelijk de das heeft omgedaan, aangezien in 1997 bij vergelijkbare toename van het Hellmann getal maar onder sneeuwvrije condities wel een tocht verreden kon worden.
Het onderzoek waarover hier gerapporteerd is, is mede mogelijk gemaakt door GasTerra en NAM.