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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