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炎炎夏日也能滑雪,“用雪自由”是怎么实现的?

来源:蝌蚪五线谱2023-06-26 13:45

  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);

  END

  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

[ 责编:蔡琳 ]
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