炎炎夏日也能滑雪，“用雪自由”是怎么實現(xiàn)的？

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

在很多人印象中，滑雪只是冬季的標配運動。然而近些年，除了北方的室外滑雪場，全國范圍內(nèi)建造了近40座全天候室內(nèi)滑雪場【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，對冬季時間直接造成了一定的影響，從而導(dǎo)致了自然降雪時間減少。

就全球滑雪行業(yè)而言，對人工造雪的依賴性越來越高。上述這些室內(nèi)滑雪場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？我們怎么才能“造雪”？

國內(nèi)某室內(nèi)滑雪場項目效果圖

自然雪是如何形成的呢？

雪是水在固態(tài)的一種形式，下雪也可以認為是降水形式的一種。當云中溫度低于0℃的時候，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，當冰晶依靠自身重量可以克服空氣阻力，同時當云下環(huán)境氣溫低于冰點溫度時，白色的冰晶便會下落到地面，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

空氣在某一個溫度下所能包含的最大水汽量，叫作飽和水汽量。空氣達到飽和時的溫度，叫作露點。飽和的空氣冷卻到露點以下的溫度時，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，我國成功舉辦了第三屆亞洲冬季運動會，據(jù)了解，當時雪道中的雪還是從降雪的地方將雪運輸?shù)奖荣愘悎?，然后再覆蓋到雪道上，以供運動員進行比賽。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前，雪上運動不再必須“靠天吃飯”，均可以通過人工造雪技術(shù)完成。

2022年北京冬奧會成功舉辦，為世界奉獻了一屆精彩、非凡、卓越的冰雪盛會，北京冬奧會共有15個分項，需要在雪上完成的運動約7項，其中包括高山滑雪、越野滑雪、自由式滑雪、北歐兩項、跳臺滑雪、單板滑雪等，而冬奧會上的比賽用雪均由人工造雪實現(xiàn)。

其中國家高山滑雪中心項目被譽為“冬奧會皇冠上的明珠”，場館內(nèi)共設(shè)3條競賽雪道、4條訓(xùn)練雪道以及其他競賽輔助雪道，雪道總長度約為23.1km，最大垂直落差約925m，共采用約170臺人工造雪設(shè)備完成本項目的造雪需求。

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

國家高山滑雪中心雪道

人工造雪是如何實現(xiàn)的？

人工造雪技術(shù)發(fā)明于上世紀50年代，其原理及技術(shù)路線就是人工模仿并營造自然雪的形成過程，通過技術(shù)手段創(chuàng)造雪晶形成和生長的條件。造雪系統(tǒng)是由壓縮機產(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)原理簡圖【2】

核子器噴嘴設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖【2】

4℃可以實現(xiàn)下雪嗎？

環(huán)境條件直接影響液滴是否會發(fā)生凍結(jié)，進而形成降雪。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)境溫度和相對濕度的降低，可進行人工造雪的最大液滴直徑增大。當環(huán)境溫度為4℃，相對濕度為20%時，液滴直徑為100μm時發(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℃時是可以實現(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，室外的滑雪場如國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杏媱澇鋈ヂ糜?，不妨在旅途中搜索一下是否有室?nèi)冰雪場館，可以感受一下從炎熱的室外推開冰雪場館大門，瞬間進入零下冰雪環(huán)境并享受滑雪運動，相信會帶給大家不一樣的新鮮感。

當然，也有可能冰雪場館就在你的身邊。

參考文獻：

1. 中國滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告；社會科學(xué)文獻出版社

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 高級工程師 華商國際工程有限公司 機電設(shè)計所 副所長 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目）

供稿：北京制冷學(xué)會