炎炎夏日也能滑雪，“用雪自由”是怎么實(shí)現(xiàn)的？

滑雪作為一項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)最早起源于北歐，中國(guó)的滑雪產(chǎn)業(yè)始于1996 年，近些年隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人們的生活水平越來越高，同時(shí)受北京冬奧的影響，大眾對(duì)滑雪的熱情急劇升溫，南方對(duì)于冰雪的渴望也越來越高，國(guó)家體育總局冬季運(yùn)動(dòng)管理中心提出“北雪南移”的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)，我國(guó)滑雪產(chǎn)業(yè)越做越大。

在很多人印象中，滑雪只是冬季的標(biāo)配運(yùn)動(dòng)。然而近些年，除了北方的室外滑雪場(chǎng)，全國(guó)范圍內(nèi)建造了近40座全天候室內(nèi)滑雪場(chǎng)【1】，不受季節(jié)影響，在炎熱的夏季也可以享受冰雪給予我們的激情與快樂。

由于溫室效應(yīng)不斷積累，全球氣候變暖，對(duì)冬季時(shí)間直接造成了一定的影響，從而導(dǎo)致了自然降雪時(shí)間減少。

就全球滑雪行業(yè)而言，對(duì)人工造雪的依賴性越來越高。上述這些室內(nèi)滑雪場(chǎng)的雪面均是采用人工造雪方式完成的，那么，你知道雪是怎么形成的嗎？我們?cè)趺床拍堋霸煅保?/p>

國(guó)內(nèi)某室內(nèi)滑雪場(chǎng)項(xiàng)目效果圖

自然雪是如何形成的呢？

雪是水在固態(tài)的一種形式，下雪也可以認(rèn)為是降水形式的一種。當(dāng)云中溫度低于0℃的時(shí)候，使得大氣中的水蒸氣結(jié)成冰晶，許多小冰晶碰撞凝結(jié)成大冰晶，在溫度不變或者溫度下降的情況下，冰晶不斷的增大，當(dāng)冰晶依靠自身重量可以克服空氣阻力，同時(shí)當(dāng)云下環(huán)境氣溫低于冰點(diǎn)溫度時(shí)，白色的冰晶便會(huì)下落到地面，形成降雪。

自然雪成雪過程

形成自然降雪有哪些必要條件？

? 1. 水汽飽和

空氣在某一個(gè)溫度下所能包含的最大水汽量，叫作飽和水汽量。空氣達(dá)到飽和時(shí)的溫度，叫作露點(diǎn)。飽和的空氣冷卻到露點(diǎn)以下的溫度時(shí)，空氣里就有多余的水汽變成水滴或冰晶。

? 2. 凝結(jié)核

凝結(jié)核是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒，最理想的凝結(jié)核是那些吸收水分最強(qiáng)的物質(zhì)微粒，比如海鹽、硫酸、氮和其他一些化學(xué)物質(zhì)的微粒。

? 3. 低溫環(huán)境

自然雪降雪雪景

1996年，我國(guó)成功舉辦了第三屆亞洲冬季運(yùn)動(dòng)會(huì)，據(jù)了解，當(dāng)時(shí)雪道中的雪還是從降雪的地方將雪運(yùn)輸?shù)奖荣愘悎?chǎng)，然后再覆蓋到雪道上，以供運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行比賽。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前，雪上運(yùn)動(dòng)不再必須“靠天吃飯”，均可以通過人工造雪技術(shù)完成。

2022年北京冬奧會(huì)成功舉辦，為世界奉獻(xiàn)了一屆精彩、非凡、卓越的冰雪盛會(huì)，北京冬奧會(huì)共有15個(gè)分項(xiàng)，需要在雪上完成的運(yùn)動(dòng)約7項(xiàng)，其中包括高山滑雪、越野滑雪、自由式滑雪、北歐兩項(xiàng)、跳臺(tái)滑雪、單板滑雪等，而冬奧會(huì)上的比賽用雪均由人工造雪實(shí)現(xiàn)。

其中國(guó)家高山滑雪中心項(xiàng)目被譽(yù)為“冬奧會(huì)皇冠上的明珠”，場(chǎng)館內(nèi)共設(shè)3條競(jìng)賽雪道、4條訓(xùn)練雪道以及其他競(jìng)賽輔助雪道，雪道總長(zhǎng)度約為23.1km，最大垂直落差約925m，共采用約170臺(tái)人工造雪設(shè)備完成本項(xiàng)目的造雪需求。

競(jìng)賽賽道起點(diǎn)海拔為2179米，坡面長(zhǎng)度約3045米，平均坡度為30%，最大坡度達(dá)68%，沿山脊一路往下延伸，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的山體垂直落差約900米，創(chuàng)下了國(guó)內(nèi)雪道落差之最。

國(guó)家高山滑雪中心雪道

人工造雪是如何實(shí)現(xiàn)的？

人工造雪技術(shù)發(fā)明于上世紀(jì)50年代，其原理及技術(shù)路線就是人工模仿并營(yíng)造自然雪的形成過程，通過技術(shù)手段創(chuàng)造雪晶形成和生長(zhǎng)的條件。造雪系統(tǒng)是由壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣將水送到核子發(fā)生器的噴嘴處，利用噴嘴后的體積收縮帶走熱量而使霧滴凝結(jié)成冰晶，使之懸浮在空氣之中進(jìn)行冷卻和凝固，冰晶在空中遇低溫環(huán)境形成雪花。

造雪設(shè)備造雪狀態(tài)

人工造雪成雪過程

人工造雪系統(tǒng)中最重要的部件是核子器噴嘴，核子器噴嘴是人工造雪的關(guān)鍵，沒有它造出來的就是水。核子器噴嘴是通過其內(nèi)部的混合室，將壓縮空氣進(jìn)行混合， 液體和氣體在混合過程中形成了微小的氣泡，在混合物中，微小的氣泡膨脹，液體破裂，氣體膨脹導(dǎo)致出口溫度降低，在出口處形成片狀、條狀和小液滴，從而實(shí)現(xiàn)霧化現(xiàn)象，遇冷環(huán)境形成冰晶雪核。

造雪系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖【2】

核子器噴嘴設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖【2】

4℃可以實(shí)現(xiàn)下雪嗎？

環(huán)境條件直接影響液滴是否會(huì)發(fā)生凍結(jié)，進(jìn)而形成降雪。同溫度濕度下，液滴尺寸越小，凍結(jié)發(fā)生越容易。若環(huán)境溫度在較高的狀態(tài)下希望實(shí)現(xiàn)降雪，就要盡可能降低液滴的尺寸。隨著環(huán)境溫度和相對(duì)濕度的降低，可進(jìn)行人工造雪的最大液滴直徑增大。當(dāng)環(huán)境溫度為4℃，相對(duì)濕度為20%時(shí)，液滴直徑為100μm時(shí)發(fā)生完全凍結(jié)相變，其他直徑的液滴均為冰水混合狀態(tài)，隨環(huán)境溫度降低至-4℃，發(fā)生完全凍結(jié)相變的液滴直徑增大為200μm【2】。所以，環(huán)境溫度4℃時(shí)是可以實(shí)現(xiàn)下雪的。

臨界降雪粒徑圖【2】

隨著人們的生活水平越來越高，基于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們可以在炎熱的夏季享受冰雪帶給我們的激情。

不過，人工造雪和自然雪還是不太一樣的：

首先，其形狀不太一樣，自然雪多為六邊形，有星狀、片狀等，落地后相互交織在一起，其孔隙率高，呈松軟狀態(tài)，而人造雪近似球狀或者錐形結(jié)晶體，形成積雪的孔隙率低，密實(shí)度和硬度好。

其次自然雪密度較低，一般為250kg/m3左右；而人工雪的密度較高，一般出雪密度都在300kg/m3以上，室外的滑雪場(chǎng)如國(guó)家高山滑雪中心為保障比賽雪面要求，其造雪密度要求將近600kg/m3。

暑期即將來臨，小伙伴們?nèi)绻杏?jì)劃出去旅游，不妨在旅途中搜索一下是否有室內(nèi)冰雪場(chǎng)館，可以感受一下從炎熱的室外推開冰雪場(chǎng)館大門，瞬間進(jìn)入零下冰雪環(huán)境并享受滑雪運(yùn)動(dòng)，相信會(huì)帶給大家不一樣的新鮮感。

當(dāng)然，也有可能冰雪場(chǎng)館就在你的身邊。

參考文獻(xiàn)：

1. 中國(guó)滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告；社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社

2. Liu Bin; Hu Hengxiang; Bi Lisen; et.al “Effect of the arrangement of two nozzles on morphology,velocity, and particle size distribution of artificial snow making spray field” , Physics of Fluids 35, 053326 (1~14)；

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作者：李坤 高級(jí)工程師 華商國(guó)際工程有限公司 機(jī)電設(shè)計(jì)所 副所長(zhǎng) 冰雪及特種制冷事業(yè)部 副總監(jiān)（入選北京市科協(xié)2020-2022年度青年人才托舉工程項(xiàng)目）

供稿：北京制冷學(xué)會(huì)