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造雪先“种雪”,“雪种”岂能“无中生有”?雪炮是如何做到的?

水分子视界
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冬奥会启动造雪,让更多人认识了雪炮。然而,造雪必须先播“雪种”。“雪种”来自哪里?雪炮是如何造雪的?

雪上项目(图片来源:new.qq.com)

人工造雪的“模板”

天然降雪是一个缓慢的过程,其形成的基础是细小的冰晶,而这些小冰晶是由水汽在晶核(凝结核)上凝结或凝华而形成的。这里的晶核就是我们常说的“雪种”,它可以是一粒尘埃,也可以是一粒花粉……

伴随着小冰晶在大气中的漂浮,更多的水颗粒凝结到冰晶上就会慢慢地形成雪花。如果天气足够冷,那么随着雪花的越来越重,就会缓缓地落到地球表面。当然了,如果地面温度比较高的话,落下的雪花也会被融化掉的。

如果没有晶核会怎样?简言之就是不能形成小冰晶,没有小冰晶自然也就不能形成雪花了。原来,纯净的水滴在冰点时是不会结冰的,继续降温就会处于过冷状态。

事实上,纯水的结冰(成核)大约需要零下40℃的低温。不过,这种过冷状态是不稳定的,只要受到一点灰尘之类的凝结核的触发,不用降到零下40℃水滴就会形成小冰晶。

天然雪的形成(图片来源:参考文献[2])

关于雪炮造雪的原理,其实也是在模拟天然雪的形成过程。问题是,没有“雪种”该如何“种雪”?

没有“雪种”可以自己造!但制造“雪种”并不是“无中生有”,而是由雾化水滴迅速冻结而成的。

“水变雪”的幕后推手

从能量的角度来看,“水变雪”的幕后推手就是“冷”!

对于雪炮造雪来说,从液态水到雪冰晶的转变,涉及到相变的过程,因此需要从液态水中移出一定的热量才能完成。这里所说的热量包括显热和潜热两个部分。

造雪机(央视新闻截图)

我们可以把热交换的过程简化为两个过程,一是把液态水的温度降低到0℃,每千克液态水每降低1℃需要转出4.2千焦的热量;二是把0℃的液态水转变为0℃的冰晶体,则每千克液态水需要转出336千焦的潜热。

当然了,考虑到水滴的过冷以及冷量的损失,实际上需要转出的热量还会更多一些。

问题是,转出这些热量靠谁来完成?搬运热量的两股骨干力量,一是压缩空气失压膨胀吸热,二是雾化水的对流和蒸发。

雪炮如何造“雪种”?

分布在雪炮喷桶顶端外围的核子器(成核器),是快速制造晶核的核心部件。

一般地,雪炮用管子分别与压缩空气和高压水相连。压缩空气与高压水混合后经核子器喷嘴喷出,压缩空气迅速把水雾化为小水滴,并使其快速降温并冻结成细小的晶核。这就是雪炮快速制造和播撒“雪种”的过程。

为什么压缩空气瞬间膨胀能制冷?19世纪中叶,著名物理学家焦耳和汤姆逊曾发现,在某种气体通过节流阀的过程中都会产生压力突变,大多数气体(氢气和氦气除外)的温度都会降低。这就是著名的焦耳-汤姆生效应。

雪炮核子器制造“雪种”利用的就是这一效应。这一效应还被广泛应用于气体的冷却和液化等许多方面。已经融入我们生活的空调和冰箱,其制冷循环也在应用这一效应。

在雪炮喷桶顶端核子器喷嘴的旁边,还有许许多多的造雪喷嘴,它喷出的则是高压水。这些高压水经过喷嘴的雾化之后,也被抛到空气之中。

这些小水滴表面的水分子在空气中的蒸发会带走许多热量,从而使水滴自身冷却。这些冷却的水滴与晶核的融合就会形成更多的小冰晶……水滴在小冰晶上的冻结,以及冰晶的结合,都会使冰晶体迅速成长,最终形成“雪花”落到地面。

造雪不需要“天时”?

用雪炮造雪属于机械造雪的范畴,基本上是在人工环境中进行的。那人工造雪还需要“天时”吗?

其实,雪炮造雪只是部分模拟了天然雪的形成过程。室外人工造雪从晶核起步的成长轨迹,可以说是在大气环境中完成的。因此,人工造雪也需要“天时”条件的帮忙。

一般认为,人工造雪需要“寒冷干燥”的天气条件。这里的“寒冷”说的是大气环境温度要低,这样才能提高造雪的质量和产量。这里的“干燥”说的是大气环境相对湿度要低,这样才有利于造雪微环境水滴表面的水分蒸发,因此带来的降温效果才会更明显。

试想,如果大气环境相对湿度达到了100%,那么就意味着不能再接纳水汽了。因此,造雪微环境水滴表面的水分也就不能再蒸发了。除非大气环境的温度特别低,否则水滴就不能再继续冷却了,因此会影响到雪冰晶的成长。

湿球温度表(图片来源:[5])

在人工造雪实践中,“湿球温度”是一个具有重要参考价值的指标。在测量湿球温度时,可以用湿纱布把普通温度计的感温部分包住,并将纱布的下端浸于充水容器中,这样就成为湿球温度计了。将其置于通风处,该温度计的读数就是湿球温度。据此我们可以选定适宜的时间窗口来进行人工造雪,以提高造雪的效率和质量。

天然雪比人造雪好?

从大气中的水蒸气到冰晶的形成,再到冰晶的成长和雪花的形成……天然雪的成长轨迹真实记录了大气环境因素的诸多信息。天然雪的雪花多为枝叶状的六角形冰晶,质轻而松软,落到地面容易融化。

雪晶形状随温度和过饱和度的变化(图片来源见水印)

人造雪虽然复制了自然雪的成雪过程,但由于采用物理手段大幅缩短了其生命历程,使得水滴在瞬间完成冻结并迅速成长。

尽管人造雪在本质上与天然雪无异,但是人造雪的形状基本上为球形,不存在枝叶状的六角形冰晶。

显微镜下观察的天然雪和人造雪的区别(图片来源:https://newtoski.com/snowmachine-vs-natural-snow/)

不过,对于制成的滑雪赛道来说一般分辨不出是来自人造雪还是天然雪。要说人造雪和天然雪哪个更好一些,如果是用于滑雪的话,还是人造雪要比天然雪好一些。

人造雪要比天然雪耐晒。天然雪由于含水量高而容易融化,因此经不起太阳的直射;而人造雪一般含水量较低,因此不怕太阳晒。在同样的气温条件下,雪质好的人造雪的耐化程度是天然雪的5-6倍。

人造雪的个头不大,看上去为粉状。由于其球形结构更加紧凑致密,因此密度要大于天然雪。一般自然雪的密度约为328千克/立方米,而人造雪的密度却高达856千克/立方米。人造雪更容易被压瓷,经过碾压后的雪面会比较硬,摩擦力也会更小一些。

由于人造雪在光照和高温下不易融化,在雪面上喷洒少量水可使其洁白如初。而天然雪的易融性使其很难保持其洁白本色。

“科技冬奥”专项对造雪机研发及应用示范提出了明确要求,造雪机及其喷嘴和核子器应满足在不同的地域及气候条件下,实现温度0℃、湿度50%的常态出雪的目标,并且雪质要符合国际雪联标准。

参考文献

[1] 李菁.气象条件对人造雪活动的影响,气象科技进展7(1)-2017。

[2] 美国不列颠百科全书公司 编著,陈怡全 译.天气和气候(不列颠图解科学丛书),中国农业出版社,2013年03月版。

[3] 杨立祥.造雪机的研究及分析,机电产品开发与创新,第23卷第3期(2010年5月)。

[4] https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/formation.html

[5]https://www.snowathome.com/pdf/wet_bulb_chart_celsius.pdf

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