造雪先“種雪”，“雪種”豈能“無中生有”？雪炮是如何做到的？

冬奧會啟動造雪，讓更多人認(rèn)識了雪炮。然而，造雪必須先播“雪種”?！把┓N”來自哪里？雪炮是如何造雪的？

雪上項(xiàng)目（圖片來源：new.qq.com）

人工造雪的“模板”

天然降雪是一個緩慢的過程，其形成的基礎(chǔ)是細(xì)小的冰晶，而這些小冰晶是由水汽在晶核（凝結(jié)核）上凝結(jié)或凝華而形成的。這里的晶核就是我們常說的“雪種”，它可以是一粒塵埃，也可以是一?；ǚ邸?/p>

伴隨著小冰晶在大氣中的漂浮，更多的水顆粒凝結(jié)到冰晶上就會慢慢地形成雪花。如果天氣足夠冷，那么隨著雪花的越來越重，就會緩緩地落到地球表面。當(dāng)然了，如果地面溫度比較高的話，落下的雪花也會被融化掉的。

如果沒有晶核會怎樣？簡言之就是不能形成小冰晶，沒有小冰晶自然也就不能形成雪花了。原來，純凈的水滴在冰點(diǎn)時是不會結(jié)冰的，繼續(xù)降溫就會處于過冷狀態(tài)。

事實(shí)上，純水的結(jié)冰（成核）大約需要零下40℃的低溫。不過，這種過冷狀態(tài)是不穩(wěn)定的，只要受到一點(diǎn)灰塵之類的凝結(jié)核的觸發(fā)，不用降到零下40℃水滴就會形成小冰晶。

天然雪的形成（圖片來源：參考文獻(xiàn)[2]）

關(guān)于雪炮造雪的原理，其實(shí)也是在模擬天然雪的形成過程。問題是，沒有“雪種”該如何“種雪”？

沒有“雪種”可以自己造！但制造“雪種”并不是“無中生有”，而是由霧化水滴迅速凍結(jié)而成的。

“水變雪”的幕后推手

從能量的角度來看，“水變雪”的幕后推手就是“冷”！

對于雪炮造雪來說，從液態(tài)水到雪冰晶的轉(zhuǎn)變，涉及到相變的過程，因此需要從液態(tài)水中移出一定的熱量才能完成。這里所說的熱量包括顯熱和潛熱兩個部分。

造雪機(jī)（央視新聞截圖）

我們可以把熱交換的過程簡化為兩個過程，一是把液態(tài)水的溫度降低到0℃，每千克液態(tài)水每降低1℃需要轉(zhuǎn)出4.2千焦的熱量；二是把0℃的液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)?℃的冰晶體，則每千克液態(tài)水需要轉(zhuǎn)出336千焦的潛熱。

當(dāng)然了，考慮到水滴的過冷以及冷量的損失，實(shí)際上需要轉(zhuǎn)出的熱量還會更多一些。

問題是，轉(zhuǎn)出這些熱量靠誰來完成？搬運(yùn)熱量的兩股骨干力量，一是壓縮空氣失壓膨脹吸熱，二是霧化水的對流和蒸發(fā)。

雪炮如何造“雪種”？

分布在雪炮噴桶頂端外圍的核子器（成核器），是快速制造晶核的核心部件。

一般地，雪炮用管子分別與壓縮空氣和高壓水相連。壓縮空氣與高壓水混合后經(jīng)核子器噴嘴噴出，壓縮空氣迅速把水霧化為小水滴，并使其快速降溫并凍結(jié)成細(xì)小的晶核。這就是雪炮快速制造和播撒“雪種”的過程。

為什么壓縮空氣瞬間膨脹能制冷？19世紀(jì)中葉，著名物理學(xué)家焦耳和湯姆遜曾發(fā)現(xiàn)，在某種氣體通過節(jié)流閥的過程中都會產(chǎn)生壓力突變，大多數(shù)氣體（氫氣和氦氣除外）的溫度都會降低。這就是著名的焦耳-湯姆生效應(yīng)。

雪炮核子器制造“雪種”利用的就是這一效應(yīng)。這一效應(yīng)還被廣泛應(yīng)用于氣體的冷卻和液化等許多方面。已經(jīng)融入我們生活的空調(diào)和冰箱，其制冷循環(huán)也在應(yīng)用這一效應(yīng)。

在雪炮噴桶頂端核子器噴嘴的旁邊，還有許許多多的造雪噴嘴，它噴出的則是高壓水。這些高壓水經(jīng)過噴嘴的霧化之后，也被拋到空氣之中。

這些小水滴表面的水分子在空氣中的蒸發(fā)會帶走許多熱量，從而使水滴自身冷卻。這些冷卻的水滴與晶核的融合就會形成更多的小冰晶……水滴在小冰晶上的凍結(jié)，以及冰晶的結(jié)合，都會使冰晶體迅速成長，最終形成“雪花”落到地面。

造雪不需要“天時”？

用雪炮造雪屬于機(jī)械造雪的范疇，基本上是在人工環(huán)境中進(jìn)行的。那人工造雪還需要“天時”嗎？

其實(shí)，雪炮造雪只是部分模擬了天然雪的形成過程。室外人工造雪從晶核起步的成長軌跡，可以說是在大氣環(huán)境中完成的。因此，人工造雪也需要“天時”條件的幫忙。

一般認(rèn)為，人工造雪需要“寒冷干燥”的天氣條件。這里的“寒冷”說的是大氣環(huán)境溫度要低，這樣才能提高造雪的質(zhì)量和產(chǎn)量。這里的“干燥”說的是大氣環(huán)境相對濕度要低，這樣才有利于造雪微環(huán)境水滴表面的水分蒸發(fā)，因此帶來的降溫效果才會更明顯。

試想，如果大氣環(huán)境相對濕度達(dá)到了100%，那么就意味著不能再接納水汽了。因此，造雪微環(huán)境水滴表面的水分也就不能再蒸發(fā)了。除非大氣環(huán)境的溫度特別低，否則水滴就不能再繼續(xù)冷卻了，因此會影響到雪冰晶的成長。

濕球溫度表（圖片來源：[5]）

在人工造雪實(shí)踐中，“濕球溫度”是一個具有重要參考價值的指標(biāo)。在測量濕球溫度時，可以用濕紗布把普通溫度計(jì)的感溫部分包住，并將紗布的下端浸于充水容器中，這樣就成為濕球溫度計(jì)了。將其置于通風(fēng)處，該溫度計(jì)的讀數(shù)就是濕球溫度。據(jù)此我們可以選定適宜的時間窗口來進(jìn)行人工造雪，以提高造雪的效率和質(zhì)量。

天然雪比人造雪好？

從大氣中的水蒸氣到冰晶的形成，再到冰晶的成長和雪花的形成……天然雪的成長軌跡真實(shí)記錄了大氣環(huán)境因素的諸多信息。天然雪的雪花多為枝葉狀的六角形冰晶，質(zhì)輕而松軟，落到地面容易融化。

雪晶形狀隨溫度和過飽和度的變化（圖片來源見水?。?/p>

人造雪雖然復(fù)制了自然雪的成雪過程，但由于采用物理手段大幅縮短了其生命歷程，使得水滴在瞬間完成凍結(jié)并迅速成長。

盡管人造雪在本質(zhì)上與天然雪無異，但是人造雪的形狀基本上為球形，不存在枝葉狀的六角形冰晶。

顯微鏡下觀察的天然雪和人造雪的區(qū)別（圖片來源：https://newtoski.com/snowmachine-vs-natural-snow/）

不過，對于制成的滑雪賽道來說一般分辨不出是來自人造雪還是天然雪。要說人造雪和天然雪哪個更好一些，如果是用于滑雪的話，還是人造雪要比天然雪好一些。

人造雪要比天然雪耐曬。天然雪由于含水量高而容易融化，因此經(jīng)不起太陽的直射；而人造雪一般含水量較低，因此不怕太陽曬。在同樣的氣溫條件下，雪質(zhì)好的人造雪的耐化程度是天然雪的5-6倍。

人造雪的個頭不大，看上去為粉狀。由于其球形結(jié)構(gòu)更加緊湊致密，因此密度要大于天然雪。一般自然雪的密度約為328千克/立方米，而人造雪的密度卻高達(dá)856千克/立方米。人造雪更容易被壓瓷，經(jīng)過碾壓后的雪面會比較硬，摩擦力也會更小一些。

由于人造雪在光照和高溫下不易融化，在雪面上噴灑少量水可使其潔白如初。而天然雪的易融性使其很難保持其潔白本色。

“科技冬奧”專項(xiàng)對造雪機(jī)研發(fā)及應(yīng)用示范提出了明確要求，造雪機(jī)及其噴嘴和核子器應(yīng)滿足在不同的地域及氣候條件下，實(shí)現(xiàn)溫度0℃、濕度50%的常態(tài)出雪的目標(biāo)，并且雪質(zhì)要符合國際雪聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李菁.氣象條件對人造雪活動的影響，氣象科技進(jìn)展7(1)-2017。

[2] 美國不列顛百科全書公司 編著，陳怡全 譯.天氣和氣候（不列顛圖解科學(xué)叢書），中國農(nóng)業(yè)出版社，2013年03月版。

[3] 楊立祥.造雪機(jī)的研究及分析，機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)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