冬奥会：我就想造个雪，怎么这么难？| 石头科普
冬奥会诞生于1924年，至今已走过了98年，从最初的法国夏蒙尼到现在的北京-张家口，从滑雪、滑冰、冰球和有舵雪橇到如今的15个大项，102小项。冬奥会的参赛国与日俱增，新兴项目的增设如雨后春笋层出不穷，冬奥会的内涵也在和平、友谊、团结与关爱的基础上不断丰富，冬奥会如日初升、蒸蒸日上[1]。在这样一场冰雪盛宴的背后，有着人们对冬季运动竞技的痴迷，也有着各部门间的精准有序的筹备工作，更有着现代科技的鼎力相助，随着北京—张家口冬奥会的脚步愈来愈近，今天我们就来谈谈冬奥会的关键环节——造雪技术。
要办好一场举世瞩目的冰雪盛宴，有力的基础设施支撑必不可少，而其核心就是造雪技术。雪的质量对运动员的发挥和成绩有着重要影响，与日常娱乐的露天滑雪场不同，赛事用雪对质量有极高的要求，更不用说冬奥会的赛场使用的雪，就雪密度而言，新雪雪密度在150～ 200( kg /m3 )，压雪机堆积的雪密度也仅在300～ 350( kg /m3 )，但是世界杯及更高级别赛事赛道要求用雪密度在540～ 560( kg /m3 )[2]，造雪难度拉满。
除了雪密度外，对用于奥运会的比赛用雪还有着其他严格的要求，下面我们来看一张美国瑞士山地雪场人工造雪气象条件指南[2]，看不懂没关系，目的就是让大家体验一下仅仅两个参数就能带来的“目眩神迷”，提醒一下，这是可在室外情况下的造雪气象条件要求哦，对于多变的冬季天气，简直苛刻到让人头痛！
而以本次冬奥会的古杨树场馆群为例，其着陆坡造雪层就有基层、中层、表层三层，每个层次的密度要求不同，不同区域厚度要求也不同，造雪难度也可见一般。现在古杨树场馆所有的“雪型”总和有九种之多，并且还可以根据不同的需求制造不同型号的雪，精细化的造雪满足了多样化和高质量的需求，堪称强迫症患者的福音，让我们为科学家们点赞吧！
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雪花是如何形成的？
在自然界中，大多数雪花是在低温情况下，空气中的水汽在过饱和状态下凝结成小液滴，并在凝结核表面上富集、结晶形成一个个小晶核，小晶核继续吸附周围的水汽不断长大，最终形成完整的雪花。所以雪花的形成要满足三个条件：一是空气中的水汽达到饱和状态，相对湿度大于或等于100%； 二是空气中必须有凝结核，也就是空气中悬浮易吸收水分的微小固体颗粒物；三是维持冰雪保持结构的温度和湿度。[3][4]
雪晶的形状多种多样，主要形状有板状、棱柱状、枝状、针状，不同温度下形成的雪晶形状也不同，雪晶的形状也会随着温度转变。在低温环境下，随着水汽在雪晶上的继续凝结，形状各异的雪晶慢慢生长发育，随着水汽进一步凝结聚集、定向迁移，雪晶互相融合积聚，就出现了雪晶的聚集体，我们常见的六角形雪花就慢慢在这个过程中形成了，仿佛青女姐姐开发的养成类游戏有木有（青女——中国古代神话传说中的霜雪之神）。
世界上没有完全一样的两片雪花，虽然每片雪花的“天赋点”被青女姐姐点的千奇百怪，但雪花的基本形态是六角形的板状和柱状，这与水蒸气结晶的特性有着密切关系，首先水汽在一个凝结核周围聚集，并形成一个小液滴。
随后，水汽在结晶时会逐步形成一个六棱形的晶核，由于晶核的六个棱角吸附水汽和结晶速度最快，因此其生长速度也最快，马上就形成了六个主晶枝，而正是这六个晶枝为六角形的雪花结构奠定了基础，而晶面上的位置相对生长较慢，于是就形成了凹陷区域，形成了雪花晶枝间的空隙，赤裸裸的区别对待啊！
但是仔细的朋友们可以发现，就像树木的主枝干长出细枝一样，雪花不仅仅只有六个主晶枝，在主晶枝上面还有各种各样的侧枝，这是由于水在结晶时形成的化学键，以及空气中的温湿度的高低变化等共同作用下，雪晶融化、结晶不停变换形态并继续生长而形成的。
早在1930年，科学家总结出的雪花种类就有21种，到了2013年其数量更是达到了121种。但其它种类的雪花形态也多是六角形的板状和柱状这两种基本形态的发展、变态或组合，当空气的浮力无法承载雪花的重量后就会形成自然的降雪。[5][6]
Olympic Winter Games
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造雪机的发展
人工造雪的原理同自然界雪的形成大致相同。1950年美国人Wayne Pierce、Art Hunt和 Dave Richey发明了世界上第一台造雪机，也是后来雪炮(snow gun)的雏形[7]（严重怀疑也是植物大战僵尸里面的冰霜大喷菇的原型）。初代造雪机的原理和现在使用的手持加压喷壶类似，在寒冷条件下，利用压缩空气将水喷洒在空气中来实施人工造雪，各位小伙伴们小时候肯定有夏天拿喷壶对着阳光制造彩虹的经历，想象一下现在喷出的是bling bling的雪吧！
1958年，Alden Hanson发明了一种新型的造雪机——风扇造雪机,风扇造雪机比第一代的压缩空气造雪机更成熟，并使用细小的泥土颗粒作为凝结核。在1969年,哥伦比亚大学的Erikson，Wollin,和 Zaunier优化了风扇造雪机的结构，提高了造雪效率，由于风扇造雪机结构更加简单，只需要电和水，因此之后被广泛使用在各个造雪场景中。[7]
如今，人工造雪界门派的各位扛把子们，例如内混型造雪机、外混型造雪机、风扇型造雪机、碎冰机造雪机，他们的功夫也都师承于这两位老前辈，并开发出了自己的功法，但究其修炼大纲有二，第一步，深厚的内功修为——营造一个适宜的低温造雪温度。第二步，巧妙的运功诀窍——通过造雪机喷嘴喷出雾化的液滴，使其在周围在寒冷空气中冻结，形成雪花的核心部件“晶核”，而晶核再对周围的雾化的水汽使用“吸星大法”将其化为己用，形成六角形的雪晶，并在此基础上继续吸附液滴形成雪花。
虽然，听起来修炼的内功心法粗犷简洁，但是集冰霜之力和吸星大法与一身，绝不是掉下山崖并在洞里捡到内功心法那么简单，详情见下图，任我行吸星大法对波左冷禅寒冰真气（根据某不知名定理，自古对波输左边），而要将两位混迹江湖多年老油条的毕生武学融汇贯通，可见难度之大。
20 世纪六七十年代末，欧美首先在造雪机制造技术上发力，由于内混型造雪机效力较高、造雪效果好，迅速占据了造雪机的主流市场，除此之外，欧美也率先掌握了内功修行的诸多独家法门，近三十年来，人工造雪机的申请专利以欧、美、日、韩为主，欧美造雪技术领先于日韩，处于世界最高水平，不仅在造雪机的机械结构上拥有大量专利，同时在自动化技术、智能控制和节能方面也远超于日韩和我国，并且已率先使用更先进的预测控制算法，在诸多技术的加持下，欧美牢牢把握住了雪林盟主的地位。[8]
内混型人工造雪机基础结构
我国的冰雪运动和产业起步较晚，加上技术封锁，造雪产业链并不完备，在喷嘴、核子器、自动化控制、造雪机系统等造雪机制造技术方面与国际先进技术还存在一定差距，但是随着国家的大力推动和我国的科研人员的努力攻关，我国的先进造雪设备必将一鸣惊人，闪亮登场！
除此之外，绿色、简约的观念始终引领着北京冬奥会的工作，张北柔性直流电网工程竣工投产，为北京冬奥提供100%的绿色电力（北京冬奥会是历史上第一个，100%使用绿色清洁能源的冬奥会，张北柔直工程采用我国原创、领先世界的柔性直流电网新技术，创造了12项世界第一，爆赞啊！）。[9]
在造雪用水上，北京冬奥组委也时刻关注生态安全和区域生活影响，延庆赛区造雪所需水资源由水库联合协调供给，生活与造冰供水所需自来水由佛峪口水库坝下集中供水厂供给，不仅有效减少了崇礼区地下水开采量，而且居民生活用水不会因为造雪受到影响。
滑雪场通过制定赛区供水安全保障、污水处理、节约用水等措施，提升赛区水资源水环境承载能力，并优先利用收集贮存的天然降水、地表径流等作为人工造雪水源。人工造雪系统采用目前世界最先进的高效节水人工造雪设备和智能化造雪系统，能够根据外界环境动态保持最佳造雪效率，节约用水。通过对气象等情况的实时监测，选择在最适宜的条件下启动造雪机，避免造雪使水资源浪费。真正把绿色环保刻在了冬奥的每一块基石上！[10]
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最后，让我们一起期待一个“简约、安全、精彩”的冬奥会吧！
参考资料
[1] 朱志强.冬季奥林匹克运动及其发展趋势[J].上海体育学院学报.2007,(04):74-78.
[2] 杨占武.北京冬奥会和冬残奥会人工造雪的研究[J].冰雪运动. 2017,39(01):1-8.
[3] 林勇.雪晶成因及人工造雪分布类型探讨[J].低温与超导. 2011,39(06):53-57.
[4] 刘道平 邬志敏 华泽钊.雪晶形成过程与人工造雪机技术[J].制冷与空调. 2003,(02):1-5.
[5] KIKUCHI K,KAMEDA T,HIGUCHI K,et al. A globalclassification of snow crystals,ice crystals,and solid pre-cipitation based on observations from middle latitudes topolar regions [J]. Atmospheric Research,2013,132/133:460-472.
[6] BONES J,ADAMS E E. Controlling crystal habit in a smallscalesnowmaker[C]// Intermational SnowScienceWorkshop. Davos,2009:67-71.
[7] 陆丹旭 郭嘉宇 李润玲.人工造雪技术研究进展[J].黑龙江科学. 2021,12(20):21-23.
[8] 刘国强 熊通 晏刚 赵巍 张华 王瑞祥 孙承华.人工造雪技术现状与研究进展[J]. 制冷学报. 2021,42(05):1-16.
[9] 中国能建.创多个世界之最的张北柔性直流电网试验示范工程组网成功！[N]. 输配电线路. 2020-07-01.
[10] 王东 黄小异.北京冬奥组委释疑：冬奥会人工造雪不会影响当地居民用水[N]. 光明日报
. 2021-11-15(009)
扩展阅读
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