造雪先“种雪”，“雪种”岂能“无中生有”？雪炮是如何做到的？

冬奥会启动造雪，让更多人认识了雪炮。然而，造雪必须先播“雪种”。“雪种”来自哪里？雪炮是如何造雪的？

雪上项目（图片来源：new.qq.com）

人工造雪的“模板”

天然降雪是一个缓慢的过程，其形成的基础是细小的冰晶，而这些小冰晶是由水汽在晶核（凝结核）上凝结或凝华而形成的。这里的晶核就是我们常说的“雪种”，它可以是一粒尘埃，也可以是一粒花粉……

伴随着小冰晶在大气中的漂浮，更多的水颗粒凝结到冰晶上就会慢慢地形成雪花。如果天气足够冷，那么随着雪花的越来越重，就会缓缓地落到地球表面。当然了，如果地面温度比较高的话，落下的雪花也会被融化掉的。

如果没有晶核会怎样？简言之就是不能形成小冰晶，没有小冰晶自然也就不能形成雪花了。原来，纯净的水滴在冰点时是不会结冰的，继续降温就会处于过冷状态。

事实上，纯水的结冰（成核）大约需要零下40℃的低温。不过，这种过冷状态是不稳定的，只要受到一点灰尘之类的凝结核的触发，不用降到零下40℃水滴就会形成小冰晶。

天然雪的形成（图片来源：参考文献[2]）

关于雪炮造雪的原理，其实也是在模拟天然雪的形成过程。问题是，没有“雪种”该如何“种雪”？

没有“雪种”可以自己造！但制造“雪种”并不是“无中生有”，而是由雾化水滴迅速冻结而成的。

“水变雪”的幕后推手

从能量的角度来看，“水变雪”的幕后推手就是“冷”！

对于雪炮造雪来说，从液态水到雪冰晶的转变，涉及到相变的过程，因此需要从液态水中移出一定的热量才能完成。这里所说的热量包括显热和潜热两个部分。

造雪机（央视新闻截图）

我们可以把热交换的过程简化为两个过程，一是把液态水的温度降低到0℃，每千克液态水每降低1℃需要转出4.2千焦的热量；二是把0℃的液态水转变为0℃的冰晶体，则每千克液态水需要转出336千焦的潜热。

当然了，考虑到水滴的过冷以及冷量的损失，实际上需要转出的热量还会更多一些。

问题是，转出这些热量靠谁来完成？搬运热量的两股骨干力量，一是压缩空气失压膨胀吸热，二是雾化水的对流和蒸发。

雪炮如何造“雪种”？

分布在雪炮喷桶顶端外围的核子器（成核器），是快速制造晶核的核心部件。

一般地，雪炮用管子分别与压缩空气和高压水相连。压缩空气与高压水混合后经核子器喷嘴喷出，压缩空气迅速把水雾化为小水滴，并使其快速降温并冻结成细小的晶核。这就是雪炮快速制造和播撒“雪种”的过程。

为什么压缩空气瞬间膨胀能制冷？19世纪中叶，著名物理学家焦耳和汤姆逊曾发现，在某种气体通过节流阀的过程中都会产生压力突变，大多数气体（氢气和氦气除外）的温度都会降低。这就是著名的焦耳-汤姆生效应。

雪炮核子器制造“雪种”利用的就是这一效应。这一效应还被广泛应用于气体的冷却和液化等许多方面。已经融入我们生活的空调和冰箱，其制冷循环也在应用这一效应。

在雪炮喷桶顶端核子器喷嘴的旁边，还有许许多多的造雪喷嘴，它喷出的则是高压水。这些高压水经过喷嘴的雾化之后，也被抛到空气之中。

这些小水滴表面的水分子在空气中的蒸发会带走许多热量，从而使水滴自身冷却。这些冷却的水滴与晶核的融合就会形成更多的小冰晶……水滴在小冰晶上的冻结，以及冰晶的结合，都会使冰晶体迅速成长，最终形成“雪花”落到地面。

造雪不需要“天时”？

用雪炮造雪属于机械造雪的范畴，基本上是在人工环境中进行的。那人工造雪还需要“天时”吗？

其实，雪炮造雪只是部分模拟了天然雪的形成过程。室外人工造雪从晶核起步的成长轨迹，可以说是在大气环境中完成的。因此，人工造雪也需要“天时”条件的帮忙。

一般认为，人工造雪需要“寒冷干燥”的天气条件。这里的“寒冷”说的是大气环境温度要低，这样才能提高造雪的质量和产量。这里的“干燥”说的是大气环境相对湿度要低，这样才有利于造雪微环境水滴表面的水分蒸发，因此带来的降温效果才会更明显。

试想，如果大气环境相对湿度达到了100%，那么就意味着不能再接纳水汽了。因此，造雪微环境水滴表面的水分也就不能再蒸发了。除非大气环境的温度特别低，否则水滴就不能再继续冷却了，因此会影响到雪冰晶的成长。

湿球温度表（图片来源：[5]）

在人工造雪实践中，“湿球温度”是一个具有重要参考价值的指标。在测量湿球温度时，可以用湿纱布把普通温度计的感温部分包住，并将纱布的下端浸于充水容器中，这样就成为湿球温度计了。将其置于通风处，该温度计的读数就是湿球温度。据此我们可以选定适宜的时间窗口来进行人工造雪，以提高造雪的效率和质量。

天然雪比人造雪好？

从大气中的水蒸气到冰晶的形成，再到冰晶的成长和雪花的形成……天然雪的成长轨迹真实记录了大气环境因素的诸多信息。天然雪的雪花多为枝叶状的六角形冰晶，质轻而松软，落到地面容易融化。

雪晶形状随温度和过饱和度的变化（图片来源见水印）

人造雪虽然复制了自然雪的成雪过程，但由于采用物理手段大幅缩短了其生命历程，使得水滴在瞬间完成冻结并迅速成长。

尽管人造雪在本质上与天然雪无异，但是人造雪的形状基本上为球形，不存在枝叶状的六角形冰晶。

显微镜下观察的天然雪和人造雪的区别（图片来源：https://newtoski.com/snowmachine-vs-natural-snow/）

不过，对于制成的滑雪赛道来说一般分辨不出是来自人造雪还是天然雪。要说人造雪和天然雪哪个更好一些，如果是用于滑雪的话，还是人造雪要比天然雪好一些。

人造雪要比天然雪耐晒。天然雪由于含水量高而容易融化，因此经不起太阳的直射；而人造雪一般含水量较低，因此不怕太阳晒。在同样的气温条件下，雪质好的人造雪的耐化程度是天然雪的5-6倍。

人造雪的个头不大，看上去为粉状。由于其球形结构更加紧凑致密，因此密度要大于天然雪。一般自然雪的密度约为328千克/立方米，而人造雪的密度却高达856千克/立方米。人造雪更容易被压瓷，经过碾压后的雪面会比较硬，摩擦力也会更小一些。

由于人造雪在光照和高温下不易融化，在雪面上喷洒少量水可使其洁白如初。而天然雪的易融性使其很难保持其洁白本色。

“科技冬奥”专项对造雪机研发及应用示范提出了明确要求，造雪机及其喷嘴和核子器应满足在不同的地域及气候条件下，实现温度0℃、湿度50%的常态出雪的目标，并且雪质要符合国际雪联标准。

参考文献

[1] 李菁.气象条件对人造雪活动的影响，气象科技进展7(1)-2017。

[2] 美国不列颠百科全书公司 编著，陈怡全 译.天气和气候（不列颠图解科学丛书），中国农业出版社，2013年03月版。

[3] 杨立祥.造雪机的研究及分析，机电产品开发与创新，第23卷第3期（2010年5月）。

[4] https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/formation.html

[5]https://www.snowathome.com/pdf/wet_bulb_chart_celsius.pdf

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