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  • 從形成到積雪,人造雪與自然雪有哪些不同?
    發布時間:2022-01-27
    出品:科普中國
    制作:郝建盛(中國科學院地理科學與資源研究所)
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心

      冰雪運動正受到越來越多人的喜愛,而大家常去的滑雪場的雪道,基本都是由人造雪壓制而成。不知道大家看到“雪炮”和“雪槍”嘩嘩嘩噴雪的時候,有沒有想過它們是如何造雪的呢?造出來的雪和自然降的雪有什么不同,落地后的它們狀態又有什么差別?

      

      正在工作的“雪炮”(圖片來源:首鋼滑雪大跳臺場館運行團隊)

    自然雪:水和微塵邂逅的結晶

      要說人造雪,我們先看看自然雪。

      自然界的雪是大氣中的水汽凝華而來的固態降水,其結構隨溫度和濕度的變化而變化,多呈六角形。

      那么,自然雪花是如何形成的呢?

      在一定的溫度條件下,空氣中水汽的含量達到最大限度,水的不同相態(固、液、氣)之間可以相互轉化。當溫度降低時,處于飽和的水汽出現過飽和現象,它們極易凝結在懸浮的微塵上,并形成冰晶。

      之后,冰晶不斷吸附周圍水汽而變大,冰晶附近的水汽不斷減少。這樣,靠近冰晶處的水汽密度就低于離它遠的地方,產生相對高的水汽壓梯度。水汽就在梯度壓力的推動下,從冰晶周圍逐漸運移至冰晶所在處。運動的水汽分子首先遇到冰晶的各個角棱和凸出部分,并在這里凝華而成為冰晶的一部分。

      就這樣,冰晶的角棱不斷增長,逐漸成為枝叉狀。之后又因為同樣的機理,在各個枝叉和角棱處長出新的小枝叉來,星狀雪花逐漸形成。

      

      星狀雪花形成過程(圖片來源:作者自制)

      由于大氣中冰晶的溫度和濕度條件也不斷變化,使得冰晶面上、邊上和角上各種部分增長的速度不一致。如果水汽只在冰晶面上凝華,形成的是柱狀雪花;如果水汽在冰晶邊上和面上凝華,形成的是片狀雪花;再如果冰晶面上、邊上、角上都有水汽凝華,有尖角處位置突出,凝華增長得最快,多形成的是枝狀或星狀雪花。因此,由于大氣的溫度和濕度不斷變化,雪花呈現千變萬化的形態。形狀、大小完全一樣或完全對稱的雪花,在自然界中是無法形成的。

      

      典型的柱狀、片狀和星狀雪花(圖片來源:作者自制)

    人造雪:被“催生”的冰晶

      相對于自然雪花的千變萬化,人造雪多為一個模子刻出來的。

      常見的人造雪是把高壓水泵中的高壓水與空氣壓縮機中的高壓空氣在雙進口噴嘴處混合噴出,高壓空氣再將水分割成微小顆粒,這些顆粒在寒冷的空氣中會凝固成冰晶,進一步與水汽接觸,讓晶體生長。

      由于沒有充裕的時間和空間讓冰晶發育和生長,人造雪多呈現白色、不透明的近似球狀或圓錐形,很難形成星狀和多枝狀的形態。狹義上這種人造雪屬于霰(讀作xian,四聲;亦稱為雪丸,直徑一般在0.32.5毫米之間,產生于大氣強對流的情況下和擾動強烈的云中),不屬于雪的類別。

      

      類似霰的人造雪(圖片來源:作者自制)

      另一種人造雪則是通過制冰裝置,將水制成片冰,再通過碎冰裝置把片冰粉碎成粉末,最后把粉末狀的冰晶通過空氣輸送系統送出。

      

      2022116日,云頂滑雪公園正進行造雪工作

     ?。▓D片來源:人民視覺,胡旺攝)

      相對于自然雪復雜而又漫長的生育過程,人造雪就像被“催生”的,但無論是人造積雪還是天然積雪,其實都是水的固相形態。冬季的積雪是大地的固態水庫,能夠在春暖花開之際消融而哺育萬物,而人造雪是冬季“固態水庫”的一個補充。在降雪少的年份,適量的人造雪有助于減少春季旱情,有利生靈。

      因此,如果認為人造雪浪費水資源,影響生態環境和用水安全,其實是杞人憂天了。

      

      哺育萬物的固態水庫——積雪(圖片來源:作者自制)

    雪花飄落堆積在地后會發生變化嗎?

      自然雪花降落后,雪花之間的相互擠壓、風的吹蝕、陽光的照射會磨掉它們的枝角,雪花破碎成細小冰晶,在低溫環境下經過等溫變質作用,最終成為直徑小于0.5mm的、近似圓形的圓化雪晶體。

      隨著積雪厚度增加,雪場內部溫度呈現明顯的梯度變化,加上晝夜溫度差異,導致積雪溫度梯度方向改變。溫度梯度驅動雪中的自由水汽運移,時而向上,時而向下。

      在運移過程中,水汽會粘附在圓化雪晶體上,使其變化成形狀各異的、直徑范圍在1-3mm的多面體雪晶體,相鄰的多面體雪晶體也會被游離的水汽燒結在一起,猶如電焊把鐵板焊接在一起一樣,最終形成多面體雪晶體鏈。

      

      多面體雪晶體鏈(圖片來源:作者自制)

      接著,由于一定厚度積雪的保溫作用,積雪底部溫度趨于恒定,并一直高于積雪表層溫度,溫度梯度方向呈現穩定態勢,水汽運移方向隨之統一。水汽不斷向同一方向粘附在多面體雪晶體上,雪晶體顆粒因此逐漸變大,并形成有迷宮狀、瑪瑙狀、金字塔狀和鉆石狀等各種規則形狀的雪晶體。

      

      深霜雪晶體(圖片來源:作者自制)

      由于雪粒沉降時間不同,雪晶體的發育程度不同,雪晶體的顆粒和大小也就形成了明顯的差異。因此雪剖面輪廓呈現明顯的層理結構,從上到下為圓化雪晶體、多面雪晶體、深霜。

      一個理想化的自然雪粒從初始落地,到消融前的發育變質過程為:雪晶體沉降——等溫變質作用下雪晶體圓化——梯溫變質作用下雪晶體多面體化。同一空間下,由于積雪中不同雪層雪晶體落地時間、所受壓力、溫度梯度等差異較大,不同雪晶體的發育程度也不同,晶體類型差異明顯。

      

      隆冬時期積雪剖面各層雪晶體類型(圖片來源:作者自制)

    那么,自然雪和人造雪各自形成的積雪,有什么不同之處呢?

      由于自然雪花為扁平狀,落地后相互交織在一起,因此積雪孔隙率高、密度低(自然新雪的密度在0.050.15克每立方厘米)、硬度低,還非常松軟;而人造雪為近似球狀或圓錐形的密實晶體,形成的積雪孔隙率低、密度高(人造雪的密度高于0.5克每立方厘米),硬度和強度等力學性能遠高于自然積雪。

      另外,相對于自然積雪,人造雪的晶體類型單一,同一個雪場下分層不明顯,晶體發育變質緩慢,難以形成多面體雪晶體和深霜等雪晶體,性狀單一且穩定。

      當我們在享受冰雪運動樂趣的時候,不妨在保證安全的前提下,近距離觸摸一下人造雪,科技就在你我身邊。

    參考文獻:

      1.Libbrecht, K. The snowflake[M]. Voyageur Press, 2003.

      2.單淑華.霰和米雪的區別[J].氣象,1990(12):50-51. 

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