|
出品 | 网易新闻 作者 | 常松，清华大学材料学院博士 前不久，在一些社交平台和视频网站上，1分钟制造出“人造雪”的视频相当风靡：将一杯水倒在一小把白色粉末上，当水浸湿白色粉末后，粉末瞬间膨胀，出现白色絮状物质，看起来就像是“雪”一样。
人造雪 这种“人造雪”在混合过程中，不仅会发热，还有异味散发出来，它的成分是聚丙烯酸钠，虽然本身无毒无害的，甚至可以做食品添加剂，但网上售卖的纯度不高，杂质可能带来腐蚀性，也会污染环境。 那么问题来了，如果在没有天然降雪的情况下希望找到堆雪人打雪仗的乐趣，有没有更好的办法实现呢？ （一）到底能不能在家造出真正的“雪”？ 答案是——不可能。 好吧，就是这么直接。 为什么在室内不可能造出雪呢？那就得从雪苛刻的形成原因说起。
显微镜下的雪花 “雪花的形成”这么令人类好奇的自然现象，其研究已经被安排得明明白白了，形成过程可以归纳为“晶核形成”和“晶核生长”两个步骤： 在适宜的气象条件下，大气中水经过冷空气冷却形成过冷，空气中的水汽呈现过饱和状态，在低温环境作用下，过冷的微小水滴可形成细小冰晶核，或者大气中存在的各种颗粒也会形成晶核。随着水蒸气在晶核上的继续成长，低温环境促成了各种各样雪晶的形成，在冰晶融合积聚作用下，雪晶继续长大成为雪晶聚集体，这种聚合体的重量超过空气的浮力后就会“下雪”。 在自然界中，形成降雪必须具备三个条件: 1.饱和的水汽。饱和的空气冷却到露点（指气压不变、水汽无增减的情况下，使空气冷却达到饱和时的温度）以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。 2.必须有凝结核。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒，最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒。
在兔毛上生长出来的雪晶 所以，把碘化银微粒撒在降水能力较差的云层里，可以促成云中的水汽和小水滴在它的晶体上凝华结晶，变成雪花，人工降雪就是这么来的。 3.必要的环境温度和水蒸汽过饱和度。研究表明，自然界冰晶的形状与环境温度具有一定的关系。 那么，为什么完美的雪花都是六角对称结构？ 这是由冰晶的空间六方晶格结构决定的，在雪晶成长过程中，水蒸气的凝华和定向迁移决定了最后形成雪晶的形状。空气里水汽饱和程度较高时，空气不断地向雪片输送水汽，六个顶角首当其冲，来不及向雪片内部输送的水汽，便在顶角上凝华结晶，这时，顶角上会出现一些突出物和枝杈，这些枝叉增长到一定程度，又会分叉。次级分叉与母枝均保持60的角度，这样，就形成了一朵六角星形的雪花。
各种六角对称的雪花
雪花的凝集 然而，这只是理想状态，在实际的过程中，温度和湿度以及其它外界条件决定着雪晶的具体形状和大小。形成什么“歪瓜裂枣”都是有可能的。即便在人工造雪技术如此发达的今天，我们人类仍旧无法像大自然那样制造出大量完美的雪花。
冰晶形成形状和温度的范围
雪晶形状随温度和过饱和度的变化 （二）人工造雪究竟是怎么造的？ 发明于上世纪50年代的人工造雪技术，原理上就是模仿在自然环境下天然雪的形成过程。不同之处在于，天然雪源于云层里自然形成的雪晶，而人造雪则由喷射或喷洒到空中的微细水滴形成。
鸟巢冬季造雪现场 随着技术的发展，也有被称为“全天候造雪”（All Weather Snow Making）的技术，不受气象条件限制，在机器内将水冷冻为冰再处理成类似雪花的冰片。而根据其造雪过程和机理，还可以分为“人工降雪”和“人工造雪”。 从自然界雪晶形成的机理可以看出，雪晶形成的关键因素是温度和空气中的水分，进行人工造雪就是通过技术手段创造这些雪晶形成和生长的条件。
人工造雪气象条件指南 总之，寒冷且干燥的气候最适宜人工造雪。 在自然降雪过程中，云中雪晶的形成、成长过程时间充裕，过程缓慢，而人工造雪的技术要求就更高，注重生产效率，需要在环境许可的条件下，在短时间内完成晶核的发育、雪晶的形成和成长，因此，造雪机的工作实质就是创造晶核、促进雪晶的成长。当环境条件不具备时，对于造雪机来讲，就必须增加创造冷环境的设备和空间。
吉林长春的某雪场造雪现场 在自然降雪过程中，晶核的存在是决定雪晶成长的重要因素。那么人工造雪怎么来形成晶核呢？ 这主要利用的是造雪机创造喷洒到空气中的微小水滴，有时在喷洒的水滴中添加成核剂。由于人工造雪中水滴从空中下降到地面的时间与自然降雪过程相比较短，因此，设计造雪机要考虑的因素要复杂的多，如何增加晶核浓度是成功造雪的关键。这也是不同造雪机技术的关键之一。 （三）如何更快地造出成吨的雪？ “造雪”对于喜欢“玩雪”的人们来说是一大福音，因此，当研究了雪形成的机理和造雪的可行性之后，如何能够更快更多地造雪，成为发明家们大开脑洞的方向。当然，相比于其他的制造领域，造雪还是挺简单的。 追溯造雪机的历史，可以一直向前推到1950年，3位美国人发明了第一台造雪机，它的原理就是利用压缩空气将水喷洒在处于寒冷条件下的空气中实现人工造雪。1958年，一种新型的造雪机——风扇造雪机出现，它使用了泥土颗粒作为成核剂，克服了压缩空气型造雪机的一些不足之处。而后，又有人在1969年通过特殊的旋转风机，将从后部进入的水变成原子化的水滴，并且在前端凝固成雪。 人工降雪技术一直在不断地得到发展，并且基于这几项发明形成了主流的造雪机类型——雪炮（SnowGun）和雪枪（Stick/Lance）。 1.压缩空气外混合型造雪机(airtype)
压缩空气外混合型造雪机结构示意图 就像前面介绍的，这种造雪机是通过冷水和压缩空气来形成细小水滴，产生晶核，并结合较大水滴或环境空气中的水分形成雪花。 按照空气与水的混合方式，该类造雪机还可以分成内混型系统(aninternalmixsystem)和外混型系统(anexternalmixsystem)，其主要差别是压缩空气和水是在喷嘴内部的腔室内进行混合，还是在喷嘴外混合。 压缩空气混合型造雪机的缺点是受风力影响大，雪浓度调解范围小，永久安装不易移动。 2.风扇型造雪机(fantype)
风扇型造雪机结构示意图 风扇型造雪机也称为无压缩空气雪炮(airlesssnowgun)。它使用简单的喷嘴来雾化水，使之成为细小的水滴，然后用大功率高速风扇将水滴吹出。水滴悬浮在空气之中，有足够的时间过冷和凝固，这一过程不需供应压缩空气，只需提供水源和电源即可。 但也正因没有压缩空气膨胀产生的冷却效果，就必须靠环境的低温来实现凝固，所以要求的环境温度更低。不仅如此，这种造雪系统雪形成的速度较缓慢，受风力影响较大，造雪区分散，不易收集，当水量增大时，水雾只在地面上凝结，且会形成冰。 虽然目前造雪机的头部企业仍是美国某品牌的老字号，但是随着中国冰雪运动的兴起和制造业的衍生，国产造雪机的性能上也已经达到行业前列水平，而造价和维护成本则在国内市场上具有竞争力。
某款国产造雪机结构示意图 （四）冰雪运动需要多少人造雪？ 随着气候变暖，雪线上升、雪量下降，人工造雪技术被越来越多地应用在滑雪场等场地中。有了造雪设备，也得有用武之地，那么在冰雪运动的各个场地都需要多少雪呢？ 依据美国某公司的说明，要造出61米*61米、厚0.15米，总计558立方米的雪（原资料使用的是英尺为单位），需要283立方米（10000立方英尺）的水。因此，为保证造雪，要有充足的水供应，同时水压要不低于100帕，约7个标准大气压。根据这样的比例，人造雪的密度约在500千克/立方米，换算一下1立方米的水可以造出2立方米的雪。 依据加拿大曼尼托巴省越野滑雪协会公布的资料，世界杯等高级别赛事要求的雪的密度为540～560千克/立方米。按此密度计算，2立方米的雪即需要1.1立方米的水。 在美国的大多数经营性雪场中，造雪高峰期，每分钟要消耗20吨或每小时要消耗1250吨水。 人造雪比天然雪更能抵御风、雨以及温度变化的影响，更为稳定和持久，这也意味着，人造雪可以使赛道的雪质更好，更为稳定，对参赛运动员来说也更为公平。
各种用途的雪密度要求列表 在冬奥会使用人工造雪的历史开始于1988年的卡尔加里冬奥会，而索契2014年冬奥会从2010年起便提前开始囤雪。冬奥组委聘请芬兰囤雪专家当顾问，为在赛区附近的高山上进行囤雪和在赛场安装人工造雪设备提供指导，并且专门制定和实施了“雪保障计划”，共跨季节囤积了710000立方米的雪。 那么2022年北京冬奥会人工造雪又会是怎么样的条件呢？ 依据公开的气象数据，从1981～2010年的30年中，北京延庆和河北张家口崇礼从11月～3月的月平均温度、月平均湿度及极值温度统计如下
延庆气候数据
崇礼气候数据 就延庆地区而言，从12月起至来年2月，月平均温度从-5.6℃～-3℃，湿度在50%以下，已具备适宜造雪的条件，且延庆县海拔约500米，而高山滑雪所在的小海坨山，终点区海拔约1300米，高出县城800米。按常规海拔每升高167米气温降低1℃计算，则赛区温度应比表中数据低5℃左右。这意味着，从11月～3月，大部分日期里，延庆赛区都具备适宜人工造雪的时段。 就崇礼赛区而言，其1600米的海拔要比县城高近300米。上表数据表明，从11月至来年3月，月平均温度从-4.6℃～-2.4℃，湿度不超过61%，大部分日期里也都具备适宜人工造雪。 因此即便遇到极端天气，人工造雪在合理的计划下，即使是无雪，也可以保证足量的雪满足比赛的需要。而全天候造雪技术不依赖外部气象条件，但受限于造雪效率和成本。按照之前对延庆高山场地用雪量的估算，如仅满足比赛场地需要，考虑到雪的密度，350000立方米的雪，10台机器，20天便可以完成。 作为世界上认知度最高的标签，中国制造（MadeinChina）正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏，力邀行业权威、资深玩家，呈现他们眼中的中国创新之路。 投稿请联系newsresearch_ntes@163.com，稿件一经刊用，将提供千字800元的稿酬。 -------------------- 编辑| 史文慧 |
|
|
