出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 常松，清華大學(xué)材料學(xué)院博士
前不久，在一些社交平臺和視頻網(wǎng)站上，1分鐘制造出“人造雪”的視頻相當(dāng)風(fēng)靡：將一杯水倒在一小把白色粉末上，當(dāng)水浸濕白色粉末后，粉末瞬間膨脹，出現(xiàn)白色絮狀物質(zhì)，看起來就像是“雪”一樣。
人造雪
這種“人造雪”在混合過程中，不僅會(huì)發(fā)熱，還有異味散發(fā)出來，它的成分是聚丙烯酸鈉，雖然本身無毒無害的，甚至可以做食品添加劑，但網(wǎng)上售賣的純度不高，雜質(zhì)可能帶來腐蝕性，也會(huì)污染環(huán)境。
那么問題來了，如果在沒有天然降雪的情況下希望找到堆雪人打雪仗的樂趣，有沒有更好的辦法實(shí)現(xiàn)呢？
（一）到底能不能在家造出真正的“雪”？
答案是——不可能。
好吧，就是這么直接。
為什么在室內(nèi)不可能造出雪呢？那就得從雪苛刻的形成原因說起。
顯微鏡下的雪花
“雪花的形成”這么令人類好奇的自然現(xiàn)象，其研究已經(jīng)被安排得明明白白了，形成過程可以歸納為“晶核形成”和“晶核生長”兩個(gè)步驟：
在適宜的氣象條件下，大氣中水經(jīng)過冷空氣冷卻形成過冷，空氣中的水汽呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)，在低溫環(huán)境作用下，過冷的微小水滴可形成細(xì)小冰晶核，或者大氣中存在的各種顆粒也會(huì)形成晶核。隨著水蒸氣在晶核上的繼續(xù)成長，低溫環(huán)境促成了各種各樣雪晶的形成，在冰晶融合積聚作用下，雪晶繼續(xù)長大成為雪晶聚集體，這種聚合體的重量超過空氣的浮力后就會(huì)“下雪”。
在自然界中，形成降雪必須具備三個(gè)條件:
1.飽和的水汽。飽和的空氣冷卻到露點(diǎn)（指氣壓不變、水汽無增減的情況下，使空氣冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度）以下的溫度時(shí)，空氣里就有多余的水汽變成水滴或冰晶。
2.必須有凝結(jié)核。凝結(jié)核是一些懸浮在空中的很微小的固體微粒，最理想的凝結(jié)核是那些吸收水分最強(qiáng)的物質(zhì)微粒。
在兔毛上生長出來的雪晶
所以，把碘化銀微粒撒在降水能力較差的云層里，可以促成云中的水汽和小水滴在它的晶體上凝華結(jié)晶，變成雪花，人工降雪就是這么來的。
3.必要的環(huán)境溫度和水蒸汽過飽和度。研究表明，自然界冰晶的形狀與環(huán)境溫度具有一定的關(guān)系。
那么，為什么完美的雪花都是六角對稱結(jié)構(gòu)？
這是由冰晶的空間六方晶格結(jié)構(gòu)決定的，在雪晶成長過程中，水蒸氣的凝華和定向遷移決定了最后形成雪晶的形狀?？諝饫锼柡统潭容^高時(shí)，空氣不斷地向雪片輸送水汽，六個(gè)頂角首當(dāng)其沖，來不及向雪片內(nèi)部輸送的水汽，便在頂角上凝華結(jié)晶，這時(shí)，頂角上會(huì)出現(xiàn)一些突出物和枝杈，這些枝叉增長到一定程度，又會(huì)分叉。次級分叉與母枝均保持60的角度，這樣，就形成了一朵六角星形的雪花。
各種六角對稱的雪花
雪花的凝集
然而，這只是理想狀態(tài)，在實(shí)際的過程中，溫度和濕度以及其它外界條件決定著雪晶的具體形狀和大小。形成什么“歪瓜裂棗”都是有可能的。即便在人工造雪技術(shù)如此發(fā)達(dá)的今天，我們?nèi)祟惾耘f無法像大自然那樣制造出大量完美的雪花。
冰晶形成形狀和溫度的范圍
雪晶形狀隨溫度和過飽和度的變化
（二）人工造雪究竟是怎么造的？
發(fā)明于上世紀(jì)50年代的人工造雪技術(shù)，原理上就是模仿在自然環(huán)境下天然雪的形成過程。不同之處在于，天然雪源于云層里自然形成的雪晶，而人造雪則由噴射或噴灑到空中的微細(xì)水滴形成。
鳥巢冬季造雪現(xiàn)場
隨著技術(shù)的發(fā)展，也有被稱為“全天候造雪”（All Weather Snow Making）的技術(shù)，不受氣象條件限制，在機(jī)器內(nèi)將水冷凍為冰再處理成類似雪花的冰片。而根據(jù)其造雪過程和機(jī)理，還可以分為“人工降雪”和“人工造雪”。
從自然界雪晶形成的機(jī)理可以看出，雪晶形成的關(guān)鍵因素是溫度和空氣中的水分，進(jìn)行人工造雪就是通過技術(shù)手段創(chuàng)造這些雪晶形成和生長的條件。
人工造雪氣象條件指南
總之，寒冷且干燥的氣候最適宜人工造雪。
在自然降雪過程中，云中雪晶的形成、成長過程時(shí)間充裕，過程緩慢，而人工造雪的技術(shù)要求就更高，注重生產(chǎn)效率，需要在環(huán)境許可的條件下，在短時(shí)間內(nèi)完成晶核的發(fā)育、雪晶的形成和成長，因此，造雪機(jī)的工作實(shí)質(zhì)就是創(chuàng)造晶核、促進(jìn)雪晶的成長。當(dāng)環(huán)境條件不具備時(shí)，對于造雪機(jī)來講，就必須增加創(chuàng)造冷環(huán)境的設(shè)備和空間。
吉林長春的某雪場造雪現(xiàn)場
在自然降雪過程中，晶核的存在是決定雪晶成長的重要因素。那么人工造雪怎么來形成晶核呢？
這主要利用的是造雪機(jī)創(chuàng)造噴灑到空氣中的微小水滴，有時(shí)在噴灑的水滴中添加成核劑。由于人工造雪中水滴從空中下降到地面的時(shí)間與自然降雪過程相比較短，因此，設(shè)計(jì)造雪機(jī)要考慮的因素要復(fù)雜的多，如何增加晶核濃度是成功造雪的關(guān)鍵。這也是不同造雪機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵之一。
（三）如何更快地造出成噸的雪？
“造雪”對于喜歡“玩雪”的人們來說是一大福音，因此，當(dāng)研究了雪形成的機(jī)理和造雪的可行性之后，如何能夠更快更多地造雪，成為發(fā)明家們大開腦洞的方向。當(dāng)然，相比于其他的制造領(lǐng)域，造雪還是挺簡單的。
追溯造雪機(jī)的歷史，可以一直向前推到1950年，3位美國人發(fā)明了第一臺造雪機(jī)，它的原理就是利用壓縮空氣將水噴灑在處于寒冷條件下的空氣中實(shí)現(xiàn)人工造雪。1958年，一種新型的造雪機(jī)——風(fēng)扇造雪機(jī)出現(xiàn)，它使用了泥土顆粒作為成核劑，克服了壓縮空氣型造雪機(jī)的一些不足之處。而后，又有人在1969年通過特殊的旋轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)，將從后部進(jìn)入的水變成原子化的水滴，并且在前端凝固成雪。
人工降雪技術(shù)一直在不斷地得到發(fā)展，并且基于這幾項(xiàng)發(fā)明形成了主流的造雪機(jī)類型——雪炮（SnowGun）和雪槍（Stick/Lance）。
1.壓縮空氣外混合型造雪機(jī)(airtype)
壓縮空氣外混合型造雪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
就像前面介紹的，這種造雪機(jī)是通過冷水和壓縮空氣來形成細(xì)小水滴，產(chǎn)生晶核，并結(jié)合較大水滴或環(huán)境空氣中的水分形成雪花。
按照空氣與水的混合方式，該類造雪機(jī)還可以分成內(nèi)混型系統(tǒng)(aninternalmixsystem)和外混型系統(tǒng)(anexternalmixsystem)，其主要差別是壓縮空氣和水是在噴嘴內(nèi)部的腔室內(nèi)進(jìn)行混合，還是在噴嘴外混合。
壓縮空氣混合型造雪機(jī)的缺點(diǎn)是受風(fēng)力影響大，雪濃度調(diào)解范圍小，永久安裝不易移動(dòng)。
2.風(fēng)扇型造雪機(jī)(fantype)
風(fēng)扇型造雪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
風(fēng)扇型造雪機(jī)也稱為無壓縮空氣雪炮(airlesssnowgun)。它使用簡單的噴嘴來霧化水，使之成為細(xì)小的水滴，然后用大功率高速風(fēng)扇將水滴吹出。水滴懸浮在空氣之中，有足夠的時(shí)間過冷和凝固，這一過程不需供應(yīng)壓縮空氣，只需提供水源和電源即可。
但也正因沒有壓縮空氣膨脹產(chǎn)生的冷卻效果，就必須靠環(huán)境的低溫來實(shí)現(xiàn)凝固，所以要求的環(huán)境溫度更低。不僅如此，這種造雪系統(tǒng)雪形成的速度較緩慢，受風(fēng)力影響較大，造雪區(qū)分散，不易收集，當(dāng)水量增大時(shí)，水霧只在地面上凝結(jié)，且會(huì)形成冰。
雖然目前造雪機(jī)的頭部企業(yè)仍是美國某品牌的老字號，但是隨著中國冰雪運(yùn)動(dòng)的興起和制造業(yè)的衍生，國產(chǎn)造雪機(jī)的性能上也已經(jīng)達(dá)到行業(yè)前列水平，而造價(jià)和維護(hù)成本則在國內(nèi)市場上具有競爭力。
某款國產(chǎn)造雪機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
（四）冰雪運(yùn)動(dòng)需要多少人造雪？
隨著氣候變暖，雪線上升、雪量下降，人工造雪技術(shù)被越來越多地應(yīng)用在滑雪場等場地中。有了造雪設(shè)備，也得有用武之地，那么在冰雪運(yùn)動(dòng)的各個(gè)場地都需要多少雪呢？
依據(jù)美國某公司的說明，要造出61米*61米、厚0.15米，總計(jì)558立方米的雪（原資料使用的是英尺為單位），需要283立方米（10000立方英尺）的水。因此，為保證造雪，要有充足的水供應(yīng)，同時(shí)水壓要不低于100帕，約7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。根據(jù)這樣的比例，人造雪的密度約在500千克/立方米，換算一下1立方米的水可以造出2立方米的雪。
依據(jù)加拿大曼尼托巴省越野滑雪協(xié)會(huì)公布的資料，世界杯等高級別賽事要求的雪的密度為540～560千克/立方米。按此密度計(jì)算，2立方米的雪即需要1.1立方米的水。
在美國的大多數(shù)經(jīng)營性雪場中，造雪高峰期，每分鐘要消耗20噸或每小時(shí)要消耗1250噸水。
人造雪比天然雪更能抵御風(fēng)、雨以及溫度變化的影響，更為穩(wěn)定和持久，這也意味著，人造雪可以使賽道的雪質(zhì)更好，更為穩(wěn)定，對參賽運(yùn)動(dòng)員來說也更為公平。
各種用途的雪密度要求列表
在冬奧會(huì)使用人工造雪的歷史開始于1988年的卡爾加里冬奧會(huì)，而索契2014年冬奧會(huì)從2010年起便提前開始囤雪。冬奧組委聘請芬蘭囤雪專家當(dāng)顧問，為在賽區(qū)附近的高山上進(jìn)行囤雪和在賽場安裝人工造雪設(shè)備提供指導(dǎo)，并且專門制定和實(shí)施了“雪保障計(jì)劃”，共跨季節(jié)囤積了710000立方米的雪。
那么2022年北京冬奧會(huì)人工造雪又會(huì)是怎么樣的條件呢？
依據(jù)公開的氣象數(shù)據(jù)，從1981～2010年的30年中，北京延慶和河北張家口崇禮從11月～3月的月平均溫度、月平均濕度及極值溫度統(tǒng)計(jì)如下
延慶氣候數(shù)據(jù)
崇禮氣候數(shù)據(jù)
就延慶地區(qū)而言，從12月起至來年2月，月平均溫度從-5.6℃～-3℃，濕度在50%以下，已具備適宜造雪的條件，且延慶縣海拔約500米，而高山滑雪所在的小海坨山，終點(diǎn)區(qū)海拔約1300米，高出縣城800米。按常規(guī)海拔每升高167米氣溫降低1℃計(jì)算，則賽區(qū)溫度應(yīng)比表中數(shù)據(jù)低5℃左右。這意味著，從11月～3月，大部分日期里，延慶賽區(qū)都具備適宜人工造雪的時(shí)段。
就崇禮賽區(qū)而言，其1600米的海拔要比縣城高近300米。上表數(shù)據(jù)表明，從11月至來年3月，月平均溫度從-4.6℃～-2.4℃，濕度不超過61%，大部分日期里也都具備適宜人工造雪。
因此即便遇到極端天氣，人工造雪在合理的計(jì)劃下，即使是無雪，也可以保證足量的雪滿足比賽的需要。而全天候造雪技術(shù)不依賴外部氣象條件，但受限于造雪效率和成本。按照之前對延慶高山場地用雪量的估算，如僅滿足比賽場地需要，考慮到雪的密度，350000立方米的雪，10臺機(jī)器，20天便可以完成。
作為世界上認(rèn)知度最高的標(biāo)簽，中國制造（MadeinChina）正尋求戰(zhàn)略升級?！噶瞬黄鸬闹袊圃臁箤?，力邀行業(yè)權(quán)威、資深玩家，呈現(xiàn)他們眼中的中國創(chuàng)新之路。
投稿請聯(lián)系newsresearch_ntes@163.com，稿件一經(jīng)刊用，將提供千字800元的稿酬。
--------------------
編輯| 史文慧
