Lennart Fransson
Konstruktionsteknik
Högskolan i Luleå
Februari 1991
I ett sammanhang är betydelsen av istjocklek speciellt uppenbar, nämligen vid belastning av ett flytande istäcke. Isens bärförmåga ökar ungefär proportionellt mot isens tjocklek i kvadrat, men isen måste vara homogen och inte delad i flera skikt. Hur ska man då mäta istjocklek på bästa sätt, t.ex för att tillåta tunga fordonstransporter på en isväg? Om man är allt för ambitiös finns det risk att isvägen försvagas betänkligt av alla hål som borras. Med endast ett hål ökar osäkerheten med avståndet från borrhålet. Uppgiften kräver alltså ett visst mått av erfarenhet t.ex om lokala varmvattenkällor. Eftersom is snabbt kan försvagas krävs upprepade mätningar. Problemet att vistas på is är starkt kopplat till svårigheten att mäta istjockleken vid varje tid och plats.
För sjötrafiken är problemet likartat men motsatt. Fartygstransporter försvåras exponentiellt med ökande istjocklek. Viktigast är att kunna skilja på is och öppet vatten. För varje fartyg finns även en kritisk tjocklek när framfarten stoppas. Syftet med istjockleksmätningar blir främst att finna områden med tunn is eller öppet vatten. Man talar ofta om isrekognosering vilket bäst görs från luften eller med en undervattensfarkost. De senaste åren har satellitbilder kommit att få en stor praktisk betydelse. Isens överyta kan också mätas med radar vilket utnyttjas av isbrytande fartyg. Manuella metoder är ändå av stor betydelse för att kunna avstämma olika typer av mätinstrument.
Nedan följer en redovisning av mätmetoder som har en praktisk eller vetenskaplig betydelse då man önskar veta istjockleken på ett på vatten flytande istäcke. Naturligtvis finns det också ett intresse att mäta istjocklek i en rad andra sammanhang I tabell 1 redovisas vanligt förekommande istyper och exempel på tillämpningar där istjockleksmätning kan behövas.
Tabell 1
-------------------------------------------------------------- Istyp Typisk tjocklek Tillämpning -------------------------------------------------------------- Utomjordisk is Mm Astronomi Glaciärer km Klimatforskning Permafrost hm Geoteknik Havsis dam Sjöfart Sjöis m Isvägar Is på vägar dm Trafiksäkerhet Atmosfärisk nedisning cm Flyg, el, tele Kravis i älvar mm Vattenkraft --------------------------------------------------------------
Den urgamla metoden att mäta isens tjocklek utförs ofta med borr och tumstock. Metodiken är mycket enkel men resultatet kan variera högst betydligt beroende på utrustning och handlag. Eftersom det är svårt att se isens underkant är det praktiskt att förse tumstocken med en anordning som hakar sig fast under iskanten. Om man gör en vinkelhake måste den vara minst 3 cm för att få ordentligt fäste. För att kunna mäta eventuella skiktningar i isen bör haken vara spetsig. Två alternativa mätverktygvisas i figur 1. Mätsnöret (fig lb) ger en korrekt position av isens bottenyta men klarar ej en fri kant eller en uppmätning av skikt. Mätning med tumstock (fig la) är också snabbare och rekommenderas därför varmt.
Speciellt vid varm väderlek eller vid risk för flödvatten är det viktigt att mäthålen tätas efter mätningen om isen ska bibehållas så bärkraftig som möjligt. Kall, packad snö eller en träplugg fungerar bra. Egentligen krävs endast ett 50 mm hål men isborrarna är i regel minst 125 mm. I känsliga fall kan det löna sig att specialtillverka en liten borr eftersom skadorna på isen minimeras och borrarbetet underlättas. Med hjälp av en kärnborr kan isens beskaffenhet studeras mer ingående. Kärnborrning är speciellt lämplig för att avgöra huruvida isen är skiktad. Vid mätningar av istjocklek som överskrider 2 m är det praktiskt att använda ett s k ångspett eller den typ av upptiningsaggregat som används för frusna vattenledningar. Metoden är speciellt lämplig för kartering av uppvallad is till havs. I vetenskapliga sammanhang då minimal störning av isen är önskvärd används ibland en motståndstråd som monteras då isen är tunn. Under isen är en vikt fäst i tråden så att den efter uppvärmning kan höjas eller sänkas manuellt. Från ett märke i tråden kan avståndet till isens överyta mätas då tråden sträcks så att vikten ligger an mot isens underyta, se figur 2. Vikten måste sedan sänkas tillräckligt för att den inte skall bli infrusen innan nästa mättillfälle.
Istjocklek kan mätas under tillväxtperioden med s k tjäldjupsmätare. I ett plaströr som placeras i ett borrhål finns ett tunnare genomskinligt rör som innehåller en vätska som ger färgomslag vid frysning (0°C). Genom att dra ut det inre röret kan istjockleken bestämmas. I gynnsamma fall fås en precision på ca 2-3 cm men beroende på isförhållanden kan istjockleken överskattas. Därför är metoden synnerligen olämplig i samband med bedömning av bärförmåga. Tjäldjupsmätaren visas i figur 3.
Mätprogrammen vid våra väderstationer innefattar inte direkta mätningar av istjocklek. SMHI tillhandahåller sedan 1963 iskartor över våra farvatten under issäsongen vilka baseras på mätningar från fyrplatser och isbrytare. I huvudsak fokuseras intresset på råkbildningar, iskoncentradon och risken för nedisning. Statistik över istjocklek på våra sjöar, i den mån den existerar, betraktas som en militär hemlighet och är inte lätt tillgänglig. Istjockleken uppskattas vanligen med hjälp av mätningar av lufttemperaturen och ett antaget isläggningsdatum. Modeller med varierande sofistikering finns utarbetade men saknar ibland praktisk betydelse, som vid bedömning av isens bärförmåga. För att närma sig tillämpbarhet krävs mätningar av vattentemperatur, värmestrålning, isens vithet, nederbörd, mm. I ett växande istäcke kan istillväxten beräknas genom mätning av istemperaturen i en vertikal profil, se figur 4.
En i litteraturen beskriven metod att bestämma istillväxt på avlägsna platser till havs bygger på kännedom om densitetsskillnaden mellan is och vatten. Instrumentet visas i figur 5.
Metoden fungerar inte vid snöfall eller då vatten tränger upp på isytan. Isens densitet till havs varierar ofta tillräckligt för att göra metoden otillförlidig. Med ett ekolod hängande under isen bör såväl vattenstånd som isdllväxt kunna registreras genom reflektionen mot botten respektive isens underyta.
För att kunna skilja is från vatten krävs någon form av tydlig fysikalisk, optisk eller elektrisk olikhet. En sådan olikhet är vattnets avgivande av värme vid frysning eller alternativt isens konstanta temperatur vid smältning. En annan egenskap är isens volymökning och lägre densitet. Vad som däremot inte nämnvärt skiljer faserna åt är elektriska, optiska eller många termiska egenskaper. Is, vatten och ånga kan till och med existera samtidigt som vid trippelpunkten (+0.01°C). En metod som används för att detektera is på vägbanor bygger på principen om isens temperaturtröghet vid värmning över fryspunkten. Genom att värma en yta och sedan mäta temperaturhöjningen lokalt kan man relativt säkert avgöra om ytan är isbelagd.
Med iskartering menas vanligen att man undersöker isens utbredning över stora områden. Utöver att konstatera om vattnet är isbelagt finns det ofta anledning att skilja på issörja, drivis, fast is, uppvallad is, flerårig is och isberg. Karteringen kan göras ytterligare mer detaljerad genom att ange typiska istjocklekar. Eftersom det mesta av isen döljer sig under vattnet (8/9 för isberg) är det svårt att uppifrån bedöma tjockleken. Har man dllgång dll en isbrytare kan flaktjockleken nagorlunda bedömas genom att iskanten ibland blir synlig. Med radarteknik är det möjligt att uppifrån utvärdera istjocklek genom att studera den reflektion som sker vid isens över- och underyta. Men istället för en vanlig radarsignal (som är sinusformad och centrerad kring en viss frekvens) används impuls-radarsignaler som har sin energi i ett brett frekvensband. Tyvärr påverkas mätresultatet inte bara av isens tjocklek utan också i hög grad av isens elektromagnedska egenskaper. Variationen i isens salthalt, temperatur och framför allt förekomsten av vatten på isytan, försvårar tolkningen av mätresultatet. Om radarn placeras under en helikopter måste framför allt reflektionen från helikoptern filtreras bort. Radarn kan alternadvt placeras på en bom framför en isbrytare eller invid en havsbaserad fyr. Vid Tekniska högskolan i Luleå prövades radarteknik för mätning av isprofiler Luleå älv för första gången vintern 1981. Vid Helsingfors Universitet utvecklades då ett instrument som klarade att ange istjockleken + 2 cm för 1-2 meter tjock kärnis. Instrumentet kunde också detektera förekomsten av mellanliggande vattenskikt.
Om man primärt är intresserad av isens bärförmåga är istjockleken den viktigaste variabeln mer inte den enda. Karakteristisk längd är ett mått som speglar en tunn isplattas elastiska deformatio och främst varierar med medeltjockleken inom det belastade området. Karakteristisk längd kan baseras på mätning av isens vertikala förskjutning invid en känd last eller alternativt på vinkelmätning av isytan då ett fordon med känd tyngd passerar.
I figur 6 visas två anordningar som rätt använda ger underlag att bedöma isens bärförmåga. (Mätresultatet kan också användas för att uppskatta isens tjocklek.)
L. Fransson (1984). Bärförmåga hos ett flytande istäcke. J,icentiatuppsats 1984:0121. Tekniska Högskolan i Luleå, Avd för Konstruktionsteknik. 137 sid.
G.D. Ashton (1986). River and Lake Ice Engineering. Water resources publications, Post Office Box 2841 Littleton, Colorado 80161, U.S.A., 485 pp.