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因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)北京冬奧會(huì)的雪都不是六邊形的,而是意想不到的形狀 2022-02-10 09:11:10  來源:36氪

2022年北京冬奧會(huì)開幕式。圖片來源:wikipedia

這個(gè)問題要從全球變暖說起。

由于氣候變暖,現(xiàn)在冬奧會(huì)以及冰雪賽事上的天然雪花是越來越少見了。根據(jù)歐洲環(huán)境署(EEA),20世紀(jì)70年代以來北半球的雪季減少了5天。

因?yàn)槠毡槿薄把?,?009-2010年,美國(guó)全國(guó)滑雪場(chǎng)聯(lián)盟(National Ski Areas Association)旗下88%的滑雪場(chǎng)都使用了人造雪。而都靈冬奧會(huì)、溫哥華冬奧會(huì)、索契冬奧會(huì)以及平昌冬奧會(huì)都大量使用人工造雪。比如在2018年平昌冬奧會(huì)上,人造雪占了總使用雪量的90%。

這屆北京冬奧會(huì)也是人造雪含量最高的一屆,因?yàn)楸緦玫难┗◣缀跞侨嗽斓?。在延慶賽區(qū)、張家口賽區(qū)以及首鋼滑雪大跳臺(tái),使用的都是人工造雪。

那么,天然雪花和人造雪有什么不同呢?

從原理上來說,兩者并沒有差異。天然雪和人造雪都是冰冰,也就是水分子形成的晶體。

冰冰都需要晶核才能形成。晶核相當(dāng)于雪花的奇點(diǎn),冰冰自己、灰塵等許多材料都可以成為晶核。

如果沒有雜質(zhì),純凈水要到零下39攝氏度才會(huì)結(jié)冰,這種依靠極低溫(或高壓)的結(jié)冰過程也叫做均勻形核(homogeneous nucleation),此時(shí)的晶核是自己人中出的叛徒——一些首先變成固體的水分子。

而在零下39攝氏度和冰點(diǎn)之間的純凈水會(huì)保持過冷(supercool)的狀態(tài),也就是低于冰點(diǎn)還不結(jié)冰的水。

過冷水在遇到擾動(dòng)或晶核時(shí)會(huì)迅速結(jié)冰。

對(duì)于天然雪來說,晶核不是凍住的水分子,而是某些細(xì)小的塵埃。水蒸氣依附在塵埃上凝華變成固體,從而變成小冰冰。為了和上文對(duì)稱所以不得不說,這種依靠外來物充當(dāng)晶核的結(jié)冰過程叫做非均勻形核(heterogeneous nucleatio)。

在隨重力飄落的過程中,這片小冰冰會(huì)遇到更多的水蒸氣,逐漸長(zhǎng)開,成為肉眼可見的大冰冰,也就是雪花。

大多數(shù)人印象中的雪花就像開幕式上的那樣是六邊形的,但實(shí)際上天然雪花有很多形態(tài),比如今年1月河南就出現(xiàn)過針狀“味精雪”。

雪花形態(tài)和溫度以及空氣濕度存在下圖的關(guān)系。

不同溫度(橫坐標(biāo))和過飽和度(超過相對(duì)濕度為100%的空氣的程度)下的雪花形態(tài),在某些情況下天然雪花是味精狀的。圖片來源:Kenneth Libbrecht

不過,人造雪既不是六邊形,也不是柱形的,而是球形的。

美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)的科學(xué)家 Peter Wasilewsk 曾經(jīng)研究過天然雪和人造雪的差別。這是他拍攝的照片——

圖片來源:USDA

你可以看到,左邊的是帶有一些人造雪的天然雪,右邊是人造雪,人造雪顯然是圓球狀的。

人造雪形態(tài)的發(fā)現(xiàn)也是個(gè)意外。Wasilewsk 說,在20世紀(jì)90年代,美國(guó)農(nóng)業(yè)部在研究天然雪和人造雪的差別時(shí),偶然用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了它們的形態(tài)差異。

電子顯微鏡下的雪花。圖片來源:pixabay

那么,為什么人造雪是球形的呢?這和人造雪的形成過程以及晶核成分有關(guān)。

Wasilewski 研究了雪花二十來年,他解釋道,天然雪花的晶核是灰塵,而且它們并不會(huì)加速凝華,而是在自然下落的過程中慢慢凝華,根據(jù)每粒雪花掉落時(shí)路徑的溫度和濕度差異,它們會(huì)長(zhǎng)出不同形狀的“花瓣”;但人造雪的晶核是水滴形成的冰晶,而且結(jié)晶過程非??欤@兩點(diǎn)使得人造雪和天然雪的形態(tài)有顯著不同。

1951年國(guó)際冰凍圈科學(xué)協(xié)會(huì)(the International Association of Cryospheric Sciences)對(duì)雪花形態(tài)的分類,圖片來源:Vincent J. Schaefer

人造雪和天然雪的形態(tài)差異有著重要的物理意義,那就是天然雪更松軟,但也更容易坍塌,而人造雪更為緊實(shí)。造雪機(jī)的人造雪密度是每立方米450千克, 天然雪是每立方米250千克。實(shí)際上,高密度的人造雪比較適合障礙滑雪。

障礙滑雪需要緊實(shí)的雪,因此人造雪更優(yōu)。

說到這里你肯定想知道人造雪是怎么造出來的了。

不管是什么樣的造雪機(jī),人造雪的制造過程可以被壓縮成一句話:首先用水滴制造微小的冰晶,它們就是晶核,接著向外噴射晶核,讓水霧和晶核接觸,形成雪花。

造雪機(jī)(圖1)利用壓縮空氣和水吹出冰質(zhì)的晶核(圖3),晶核遇到另一波水霧形成雪花(圖4)。圖片來源:TechnoAlpin

造雪原理說起來很簡(jiǎn)單,但全世界能制造造雪機(jī)的公司寥寥可數(shù)。根據(jù)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》2017年的一項(xiàng)報(bào)道,目前全球造雪機(jī)市場(chǎng)被幾家歐美公司主導(dǎo),它們分別是天冰(TechnoAlpin)、迪馬克(Demaclenko)和蘇法格(SUFAG)。

大家可能對(duì)其中一個(gè)名字感到面熟,這次北京冬奧會(huì)的人造雪都是用天冰家的機(jī)器造的。天冰的亞洲區(qū)經(jīng)理 Michael Mayr 表示:“我們是北京2022冬奧會(huì)造雪系統(tǒng)的唯一供應(yīng)商?!?/p>

造雪機(jī)造雪。圖片來源:TechnoAlpin

這些公司之所以能壟斷造雪機(jī)市場(chǎng),是因?yàn)樗鼈冋莆罩煅C(jī)的核心技術(shù)——核子器。

在造雪機(jī)中,用水制造晶核的部件叫做核子器,核子器是造雪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。

這是因?yàn)椋蔀榫Ш说脑?,水滴必須小?0-70微米的量級(jí),差不多和頭發(fā)絲一樣細(xì),這種精密度就是核子器的技術(shù)難點(diǎn)。

這個(gè)過程是依靠核子器內(nèi)的高壓氣體實(shí)現(xiàn)的。高壓氣體能把水滴打小。同時(shí)依靠理想氣體狀態(tài)方程,高壓氣體在膨脹時(shí)還可以給水滴降溫,使其變成冰晶。而能完成這些操作的高壓氣體的壓強(qiáng)約是大氣壓的7倍,液壓則是大氣壓的一百多倍。

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程,氣體體積增大時(shí)溫度降低,反之溫度增高。高壓氣體噴出時(shí)體積迅速增加,從而能為水滴降溫。圖片來源:chemistrygod.com

這也是為什么在本屆冬奧會(huì)上,我國(guó)自主研發(fā)的卡賓雪麒麟 M2 造雪機(jī)被當(dāng)作重大技術(shù)突破被放置在了科技冬奧館的中央。

所以從某種意義上來說,人造雪比天然雪更珍貴。

造雪機(jī)每制造1立方米的雪需要0.6-2 千瓦·時(shí)的能量,差不多等同于一臺(tái)家用空調(diào)開一小時(shí)的耗能。在美國(guó)的滑雪場(chǎng),造雪的能耗占到了總成本的一半。

人造雪的原材料——水也是一個(gè)大問題。根據(jù)《環(huán)球時(shí)報(bào)》2月8日的報(bào)道,這次冬奧會(huì)總計(jì)劃用水39萬(wàn)噸,好在人造雪部分來自地表徑流和雨水,以及融雪的再利用。

總之,冬奧會(huì)不僅展示了人類優(yōu)質(zhì)體魄的天花板,也是尖端科技的舞臺(tái),值得敬佩的不僅有運(yùn)動(dòng)員,還有他們腳下的粒粒雪花。

假冰冰一片冰心,真冰冰心如死灰。

參考資料:

https://docs.qq.com/doc/DVEVBY3BJS2dERkZz

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