【科觀新鮮事】人造雪是怎麼造出來的,它和自然雪有什麼區別?

2022-01-12 數字北京科學中心

冬天的北京天氣寒冷,小編和大家一樣殷殷期盼著下雪,畢竟很多時候溫度條件已經達到了。然而北京的雪卻不太「善解人意」,還是沒有來.


不過,雖然降雪遲遲未至,但是不少滑雪場、冰雪嘉年華仍然辦得紅紅火火。這些地方的雪是從哪裡來的呢?

這就要歸功於神奇的人造雪技術了。

       

人造雪的歷史可以追溯到1950年。1950年3月,美國人韋恩·皮爾斯(Wayne Pierce)利用一個油漆噴霧壓縮機、噴嘴和一些用來給花木澆水的軟管造出了世界上第一臺造雪機。

而大量進行人工造雪是從1980年的冬奧會開始的。1980年2月,在第13屆美國普萊西德湖冬奧會上,美國人在冬奧會歷史上首次採用了人工造雪機來造雪,冬奧會「靠天吃飯」的難題得到了解決。

雲頂滑雪場的人造雪道

(我國2022年北京冬奧會比賽場地)

目前人工造雪廣泛應用於滑雪場、人造飄雪景觀、影視拍攝、汽車低溫耐寒性能測試等領域。下面就讓小編為大家簡單介紹一下人造雪的技術原理吧。

在天然條件下,自然雪來自大氣中的水蒸氣凝結,當大氣溫度低到一定程度,水蒸氣就會凝結成雲,由氣態轉化為液態或固態。小冰晶飄浮在空中,靠繼續凝結和互相碰撞合併而增大成為雪花。

自然條件下從雪晶形成到落地的過程需要較長時間,而人工造雪需要在短時間內完成製造晶核、促進雪晶成長的全過程。

由於雪在本質上就是冰晶,因此目前主流的造雪機都是以高效生產冰晶為主要功能的,目前常用的製造方式分為炮筒式與冰片粉碎式。


>>>>炮筒式造雪機

炮筒式造雪機的工作流程是,來自高壓水泵的高壓水與來自空氣壓縮機的高壓空氣,在雙進口噴嘴處混合。

高壓空氣將水流分割成微小的霧滴,利用自然蒸發和空氣衝出噴嘴後的體積膨脹帶走熱量而使霧滴凝結成冰晶。這些冰晶就是我們看到的雪花。

>>>>冰片粉碎式造雪機

冰片粉碎式造雪機的工作流程是,先利用片冰機將水製成片狀的冰,將片冰儲存於帶有製冷系統的容器中。

在需要使用雪花的時刻,通過高壓的密閉風機,經粉碎腔體把已經造好的片冰粉碎成粉末,通過空氣輸送系統吹出粉末狀的冰晶,因此達到飄雪效果。

雖然人造雪的技術已經發展了多年,但是至今仍有不少技術局限。在很多情況下,人造雪技術也並不能成功造雪。


>>>>受風力影響 

由於人造雪過程中無法模擬自然雪形成的全部條件,即雪晶從高空下降,結晶時間長的過程,常常需要將造雪機安裝在塔架上,使其在空中飄飛充分冷凝,從而延長落地時間形成結晶更完整的雪花,因此,該類造雪機受風力影響較大。

>>>>受環境溫度影響

人造雪過程中需要從水中抽取大量熱量,才能完整從水到雪的相態轉變。一般1kg的0℃的水需轉移約336kJ的熱量才能變成0℃的冰。

巨大的熱量轉移需求可以藉助兩種途徑來實現,一是霧化水與自然低溫空氣接觸後發生的熱交換,二是壓縮空氣的快速膨脹能帶來短暫的低溫環境。如果自然環境的溫度不能達到-3℃以下就很難製造出雪。


>>>>受環境溼度溫度影響

在造雪產業中,溫度並不是造雪條件的唯一要素。在溼度幫助下,即使氣溫0℃也可能存在適合人造雪活動的環境條件。

溼球溫度代表了當前環境下僅通過水分蒸發所能獲得的最低溫度。空氣越乾燥,相同溫度對應的溼球溫度也就越低。

越冷越乾燥的環境條件下,霧化水液滴蒸發所帶來的降溫效果就越明顯,越有利於人造雪的形成。大氣溼度達到60%以上也不易進行人工造雪。

        

人造雪與自然雪本質上沒有什麼不同,都是固態水的一種形式。但是在形狀、密度等性質上都有很大的不同。


>>>>在形狀上

自然雪多呈六角形。與自然雪相比,無論哪種形式的造雪設備,造出來的雪的形狀都無法與其形狀相似,無法達到六角形的形狀。

>>>>從密度上看

自然雪花密度約為328公斤/立方,而人造雪密度約為856公斤/立方。人造雪的密度更大。因此在相同條件下,同體積人造雪比自然雪融化得慢。


>>>>從摩擦係數上看

人造雪結晶普遍較小,容易壓瓷,摩擦係數小,經過造雪機反覆碾壓,會感覺比較硬,隨著氣溫的變化,更容易結冰。

而天然的雪較為複雜,和不同地區的溼度、溫度都有關係。比如日本的雪:溼度大、粘性高、摩擦力大;新疆阿勒泰的雪:溼度小、摩擦力小、不易結塊。


>>>>從晶體結構上看

自然雪一旦失去其晶體結構就會變成球形,也就不再能被塑造成形。但是人造雪易於在較長時間內保證雪的質量不變,且比自然雪更適於抵抗升華及來自光源和熱量的影響。

將人造雪覆蓋在已經失去晶體結構的雪體的表面可以重新激發其晶體結構,從而使雪恢復生命力。

純白無瑕的冰雪世界是大自然饋贈給我們的寶貴財富,雖然我們已經有了人造雪的技術,但是小編還是更期待那漫天飛雪的美麗圖景。

讓我們一起靜待2019年北京的初雪吧。

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