從形成到積雪，人造雪與自然雪有哪些不同？

冰雪運(yùn)動正受到越來越多人的喜愛，而大家常去的滑雪場的雪道，基本都是由人造雪壓制而成。不知道大家看到“雪炮”和“雪槍”嘩嘩嘩噴雪的時候，有沒有想過它們是如何造雪的呢？造出來的雪和自然降的雪有什么不同，落地后的它們狀態(tài)又有什么差別？

正在工作的“雪炮”（圖片來源：首鋼滑雪大跳臺場館運(yùn)行團(tuán)隊）

Part.1

自然雪：水和微塵邂逅的結(jié)晶

要說人造雪，我們先看看自然雪。

自然界的雪是大氣中的水汽凝華而來的固態(tài)降水，其結(jié)構(gòu)隨溫度和濕度的變化而變化，多呈六角形。

Part.2

那么，自然雪花是如何形成的呢？

在一定的溫度條件下，空氣中水汽的含量達(dá)到最大限度，水的不同相態(tài)（固、液、氣）之間可以相互轉(zhuǎn)化。當(dāng)溫度降低時，處于飽和的水汽出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象，它們極易凝結(jié)在懸浮的微塵上，并形成冰晶。

之后，冰晶不斷吸附周圍水汽而變大，冰晶附近的水汽不斷減少。這樣，靠近冰晶處的水汽密度就低于離它遠(yuǎn)的地方，產(chǎn)生相對高的水汽壓梯度。水汽就在梯度壓力的推動下，從冰晶周圍逐漸運(yùn)移至冰晶所在處。運(yùn)動的水汽分子首先遇到冰晶的各個角棱和凸出部分，并在這里凝華而成為冰晶的一部分。

就這樣，冰晶的角棱不斷增長，逐漸成為枝叉狀。之后又因?yàn)橥瑯拥臋C(jī)理，在各個枝叉和角棱處長出新的小枝叉來，星狀雪花逐漸形成。

星狀雪花形成過程（圖片來源：作者自制）

由于大氣中冰晶的溫度和濕度條件也不斷變化，使得冰晶面上、邊上和角上各種部分增長的速度不一致。如果水汽只在冰晶面上凝華，形成的是柱狀雪花；如果水汽在冰晶邊上和面上凝華，形成的是片狀雪花；再如果冰晶面上、邊上、角上都有水汽凝華，有尖角處位置突出，凝華增長得最快，多形成的是枝狀或星狀雪花。因此，由于大氣的溫度和濕度不斷變化，雪花呈現(xiàn)千變?nèi)f化的形態(tài)。形狀、大小完全一樣或完全對稱的雪花，在自然界中是無法形成的。

典型的柱狀、片狀和星狀雪花（圖片來源：作者自制）

Part.3

人造雪：被“催生”的冰晶

相對于自然雪花的千變?nèi)f化，人造雪多為一個模子刻出來的。

常見的人造雪是把高壓水泵中的高壓水與空氣壓縮機(jī)中的高壓空氣在雙進(jìn)口噴嘴處混合噴出，高壓空氣再將水分割成微小顆粒，這些顆粒在寒冷的空氣中會凝固成冰晶，進(jìn)一步與水汽接觸，讓晶體生長。

由于沒有充裕的時間和空間讓冰晶發(fā)育和生長，人造雪多呈現(xiàn)白色、不透明的近似球狀或圓錐形，很難形成星狀和多枝狀的形態(tài)。狹義上這種人造雪屬于霰（讀作xian,四聲；亦稱為雪丸，直徑一般在0.3到2.5毫米之間，產(chǎn)生于大氣強(qiáng)對流的情況下和擾動強(qiáng)烈的云中），不屬于雪的類別。

類似霰的人造雪（圖片來源：作者自制）

另一種人造雪則是通過制冰裝置，將水制成片冰，再通過碎冰裝置把片冰粉碎成粉末，最后把粉末狀的冰晶通過空氣輸送系統(tǒng)送出。

2022年1月16日，云頂滑雪公園正進(jìn)行造雪工作

（圖片來源：人民視覺，胡旺攝）

相對于自然雪復(fù)雜而又漫長的生育過程，人造雪就像被“催生”的，但無論是人造積雪還是天然積雪，其實(shí)都是水的固相形態(tài)。冬季的積雪是大地的固態(tài)水庫，能夠在春暖花開之際消融而哺育萬物，而人造雪是冬季“固態(tài)水庫”的一個補(bǔ)充。在降雪少的年份，適量的人造雪有助于減少春季旱情，有利生靈。

因此，如果認(rèn)為人造雪浪費(fèi)水資源，影響生態(tài)環(huán)境和用水安全，其實(shí)是杞人憂天了。

哺育萬物的固態(tài)水庫——積雪（圖片來源：作者自制）

Part.4

雪花飄落堆積在地后會發(fā)生變化嗎？

自然雪花降落后，雪花之間的相互擠壓、風(fēng)的吹蝕、陽光的照射會磨掉它們的枝角，雪花破碎成細(xì)小冰晶，在低溫環(huán)境下經(jīng)過等溫變質(zhì)作用，最終成為直徑小于0.5mm的、近似圓形的圓化雪晶體。

隨著積雪厚度增加，雪場內(nèi)部溫度呈現(xiàn)明顯的梯度變化，加上晝夜溫度差異，導(dǎo)致積雪溫度梯度方向改變。溫度梯度驅(qū)動雪中的自由水汽運(yùn)移，時而向上，時而向下。

在運(yùn)移過程中，水汽會粘附在圓化雪晶體上，使其變化成形狀各異的、直徑范圍在1-3mm的多面體雪晶體，相鄰的多面體雪晶體也會被游離的水汽燒結(jié)在一起，猶如電焊把鐵板焊接在一起一樣，最終形成多面體雪晶體鏈。

多面體雪晶體鏈（圖片來源：作者自制）

接著，由于一定厚度積雪的保溫作用，積雪底部溫度趨于恒定，并一直高于積雪表層溫度，溫度梯度方向呈現(xiàn)穩(wěn)定態(tài)勢，水汽運(yùn)移方向隨之統(tǒng)一。水汽不斷向同一方向粘附在多面體雪晶體上，雪晶體顆粒因此逐漸變大，并形成有迷宮狀、瑪瑙狀、金字塔狀和鉆石狀等各種規(guī)則形狀的雪晶體。

深霜雪晶體（圖片來源：作者自制）

由于雪粒沉降時間不同，雪晶體的發(fā)育程度不同，雪晶體的顆粒和大小也就形成了明顯的差異。因此雪剖面輪廓呈現(xiàn)明顯的層理結(jié)構(gòu)，從上到下為圓化雪晶體、多面雪晶體、深霜。

一個理想化的自然雪粒從初始落地，到消融前的發(fā)育變質(zhì)過程為：雪晶體沉降——等溫變質(zhì)作用下雪晶體圓化——梯溫變質(zhì)作用下雪晶體多面體化。同一空間下，由于積雪中不同雪層雪晶體落地時間、所受壓力、溫度梯度等差異較大，不同雪晶體的發(fā)育程度也不同，晶體類型差異明顯。

隆冬時期積雪剖面各層雪晶體類型（圖片來源：作者自制）

那么，自然雪和人造雪各自形成的積雪，有什么不同之處呢？

由于自然雪花為扁平狀，落地后相互交織在一起，因此積雪孔隙率高、密度低（自然新雪的密度在0.05到0.15克每立方厘米）、硬度低，還非常松軟；而人造雪為近似球狀或圓錐形的密實(shí)晶體，形成的積雪孔隙率低、密度高（人造雪的密度高于0.5克每立方厘米），硬度和強(qiáng)度等力學(xué)性能遠(yuǎn)高于自然積雪。

另外，相對于自然積雪，人造雪的晶體類型單一，同一個雪場下分層不明顯，晶體發(fā)育變質(zhì)緩慢，難以形成多面體雪晶體和深霜等雪晶體，性狀單一且穩(wěn)定。

當(dāng)我們在享受冰雪運(yùn)動樂趣的時候，不妨在保證安全的前提下，近距離觸摸一下人造雪，科技就在你我身邊。

參考文獻(xiàn):

1. Libbrecht, K. The snowflake[M]. Voyageur Press, 2003.

2. 單淑華.霰和米雪的區(qū)別[J].氣象,1990(12):50-51.

3. Marbouty D. An experimental study of temperature-gradient metamorphism[J]. Journal of Glaciology, 1980, 26(94): 303-312.

4. Simpkins G. Snow-related water woes[J]. Nature Climate Change, 2018, 8(11): 945-945.

出品：科普中國

制作：郝建盛

監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

（本文中標(biāo)明來源的圖片已獲得授權(quán)）

文章僅代表作者觀點(diǎn)，不代表中國科普博覽立場

本文首發(fā)于中國科普博覽（kepubolan）

轉(zhuǎn)載請注明公眾號出處

中國科普博覽