炎炎夏日也能滑雪，“用雪自由”是怎么实现的？

　　滑雪作为一项体育运动最早起源于北欧，中国的滑雪产业始于1996 年，近些年随着国民经济的增长，人们的生活水平越来越高，同时受北京冬奥的影响，大众对滑雪的热情急剧升温，南方对于冰雪的渴望也越来越高，国家体育总局冬季运动管理中心提出 “北雪南移”的战略发展目标，我国滑雪产业越做越大。

　　在很多人印象中，滑雪只是冬季的标配运动。然而近些年，除了北方的室外滑雪场，全国范围内建造了近40座全天候室内滑雪场，不受季节影响，在炎热的夏季也可以享受冰雪给予我们的激情与快乐。

　　由于温室效应不断积累，全球气候变暖，对冬季时间直接造成了一定的影响，从而导致了自然降雪时间减少。

　　就全球滑雪行业而言，对人工造雪的依赖性越来越高。上述这些室内滑雪场的雪面均是采用人工造雪方式完成的，那么，你知道雪是怎么形成的吗？我们怎么才能“造雪”？

　　国内某室内滑雪场项目效果图

　　自然雪是如何形成的呢？

　　雪是水在固态的一种形式，下雪也可以认为是降水形式的一种。当云中温度低于0℃的时候，使得大气中的水蒸气结成冰晶，许多小冰晶碰撞凝结成大冰晶，在温度不变或者温度下降的情况下，冰晶不断的增大，当冰晶依靠自身重量可以克服空气阻力，同时当云下环境气温低于冰点温度时，白色的冰晶便会下落到地面，形成降雪。

　　自然雪成雪过程

　　形成自然降雪有哪些必要条件？

　　 1. 水汽饱和

　　空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量，叫作饱和水汽量。空气达到饱和时的温度，叫作露点。饱和的空气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。

　　 2. 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，比如海盐、硫酸、氮和其他一些化学物质的微粒。

　　 3. 低温环境

　　自然雪降雪雪景

　　1996年，我国成功举办了第三届亚洲冬季运动会，据了解，当时雪道中的雪还是从降雪的地方将雪运输到比赛赛场，然后再覆盖到雪道上，以供运动员进行比赛。但随着科学技术的发展，目前，雪上运动不再必须“靠天吃饭”，均可以通过人工造雪技术完成。

　　2022年北京冬奥会成功举办，为世界奉献了一届精彩、非凡、卓越的冰雪盛会，北京冬奥会共有15个分项，需要在雪上完成的运动约7项，其中包括高山滑雪、越野滑雪、自由式滑雪、北欧两项、跳台滑雪、单板滑雪等，而 冬奥会上的比赛用雪均由人工造雪实现。

　　其中国家高山滑雪中心项目被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”，场馆内共设3条竞赛雪道、4条训练雪道以及其他竞赛辅助雪道，雪道总长度约为23.1km，最大垂直落差约925m，共采用约170台人工造雪设备完成本项目的造雪需求。

　　竞赛赛道起点海拔为2179米，坡面长度约3045米，平均坡度为30%，最大坡度达68%，沿山脊一路往下延伸，从起点到终点的山体垂直落差约900米，创下了国内雪道落差之最。

　　国家高山滑雪中心雪道

　　人工造雪是如何实现的？

　　人工造雪技术发明于上世纪50年代，其原理及技术路线就是人工模仿并营造自然雪的形成过程，通过技术手段创造雪晶形成和生长的条件。造雪系统是由压缩机产生压缩空气将水送到核子发生器的喷嘴处，利用喷嘴后的体积收缩带走热量而使雾滴凝结成冰晶，使之悬浮在空气之中进行冷却和凝固，冰晶在空中遇低温环境形成雪花。

　　造雪设备造雪状态

　　人工造雪成雪过程

　　人工造雪系统中最重要的部件是核子器喷嘴，核子器喷嘴是人工造雪的关键，没有它造出来的就是水。核子器喷嘴是通过其内部的混合室，将压缩空气进行混合，液体和气体在混合过程中形成了微小的气泡，在混合物中，微小的气泡膨胀，液体破裂，气体膨胀导致出口温度降低，在出口处形成片状、条状和小液滴，从而实现雾化现象，遇冷环境形成冰晶雪核。

　　造雪系统原理简图

　　核子器喷嘴设备结构简图

　　4℃可以实现下雪吗？

　　环境条件直接影响液滴是否会发生冻结，进而形成降雪。同温度湿度下，液滴尺寸越小，冻结发生越容易。若环境温度在较高的状态下希望实现降雪，就要尽可能降低液滴的尺寸。随着环境温度和相对湿度的降低，可进行人工造雪的最大液滴直径增大。当环境温度为4℃，相对湿度为20%时，液滴直径为100μm时发生完全冻结相变，其他直径的液滴均为冰水混合状态，随环境温度降低至-4℃，发生完全冻结相变的液滴直径增大为200μm【2】。所以， 环境温度4℃时是可以实现下雪的。

　　临界降雪粒径图

　　随着人们的生活水平越来越高，基于科学技术的不断发展，我们可以在炎热的夏季享受冰雪带给我们的激情。

　　不过，人工造雪和自然雪还是不太一样的：

　　首先，其形状不太一样，自然雪多为六边形，有星状、片状等，落地后相互交织在一起，其孔隙率高，呈松软状态，而人造雪近似球状或者锥形结晶体，形成积雪的孔隙率低，密实度和硬度好。

　　其次自然雪密度较低，一般为250kg/m3左右；而人工雪的密度较高，一般出雪密度都在300kg/m3以上，室外的滑雪场如国家高山滑雪中心为保障比赛雪面要求，其造雪密度要求将近600kg/m3。

　　暑期即将来临，小伙伴们如果有计划出去旅游，不妨在旅途中搜索一下是否有室内冰雪场馆，可以感受一下从炎热的室外推开冰雪场馆大门，瞬间进入零下冰雪环境并享受滑雪运动，相信会带给大家不一样的新鲜感。

　　当然，也有可能冰雪场馆就在你的身边。

　　参考文献：

　　1. 中国滑雪产业发展报告；社会科学文献出版社

　　2. Liu Bin; Hu Hengxiang; Bi Lisen; et.al “Effect of the arrangement of two nozzles on morphology,velocity, and particle size distribution of artificial snow making spray field” , Physics of Fluids 35, 053326 (1~14)；

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　　作者：李坤 高级工程师 华商国际工程有限公司机电设计所副所长、冰雪及特种制冷事业部副总监（入选北京市科协2020-2022年度青年人才托举工程项目）

　　供稿：北京制冷学会