環球科學 - 人造雪100%占領奧運會的奧秘－鑽石舞台

圖片來源：Pixabay

撰文｜Peter Veal，《對話》

翻譯｜陳振翀

審校｜王昱

冬季奧運會召喚出銀裝素裹的山峰、溜冰場和裝備精良的運動員。冬季奧運會經常在年平均降雪量至少762厘米的地點舉行。

但是天氣也有反常，北京冬奧運會舉行雪上運動項目的山峰隨處可見黃土和綠植，幾乎沒有雪。北京冬奧會舉辦地冬季通常只有幾英寸的降雪量。這意味着比賽基本都在人造雪上舉行。

我是一名大氣科學家，我的研究領域是山區天氣和雪。我還是新晉造雪公司的創始人，同時也是一名滑雪愛好者。人造雪和天然雪有鮮明的差別，探究兩者對比賽的影響稱得上是一件趣事。

造雪有道

儘管說人造雪和天然雪都是凍結的水，但是絕大多數的滑雪者和單板滑雪者都能立即分辨出它們之間的差異。

傳統的造雪機使用高壓水、壓縮空氣和特製噴嘴將微小的液滴吹到空中，再等待液滴在下落過程中凍結。空氣夠冷簡單，但造雪難。

純淨水的凝固點接近零下40攝氏度。只有水中存在微小的懸浮顆粒時，水的凝固點才會接近0度。這些顆粒名為凝結核，像支架一樣幫助形成冰晶。

如果沒有這些顆粒，水要變冰是十分困難的。基於顆粒的特定分子構型，不同的顆粒可以升高或者降低凝固點。

兩種最佳的凝結核選擇是碘化銀和丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）產生的一種蛋白。絕大多數的造雪系統都會向水中添加這種商業化的細菌蛋白，確保細小的水滴接觸地面前完成凝固。

人造雪上滑行

雲霧中凝結核上的小冰晶是天然雪的起點。當小冰晶落入空中，它逐漸長成經典的六邊形雪花。

相比較下，人造雪的水滴凍結速度飛快。這樣產生的雪包含了數十億的微小冰球。滑雪時肉眼看到的人造雪和天然雪十分相似，但是天然雪和人造的「感覺」很不一樣。

由於微小冰球包裹得非常緊，有些碰到地面才會凍結，人造雪給人感覺堅硬且更像冰。另一方面來說，新鮮的天然「雪粉」給予飛速滑下山峰的滑雪者和單板滑雪者幾乎失重的感覺。這大概因為天然雪晶的堆疊非常鬆散，新鮮的雪粉層至少包含95%的空氣。

新鮮的雪粉是滑雪者渴望的，但是奧運會滑雪運動員的想法不一樣。比賽的運動員想要滑行得越快越好，同時做出強大、穩定的轉向。因此，人造雪的冰晶密度情況更適合比賽。事實上，比賽的舉辦方經常會向天然雪中添加液態水以適應比賽狀況，為運動員提供堅固連續的雪面。

另外一個考慮是，事實上天然的暴風雪會導致昏暗的平光和低可見度，這很難進行比賽或運動。滑雪比賽經常會因為大量的降雪而取消，比如1998年長野奧運會。對於運動員來說，清晰的環境和人造雪也更具有優勢。

但是堅硬的人造雪的確也有缺點。出於安全因素，需要跳躍飛翔或離地高空滑行的自由滑雪和單板滑雪似乎會更青睞柔軟的天然雪。北歐兩項的運動員也是如此，他們最近的碰撞事故告誡人造雪的危險性，因為堅硬的冰面會導致更多的損傷。

模擬自然，師從天地

儘管奧運會運動員對雪有多種需求，但是對於大多數的業餘滑雪者來說天然雪才是更好的選擇。因為天然雪晶含有空氣，它會更加柔軟，滑雪或滑板的時候更加舒服。

數十年來科學家一直嘗試製造出更多符合需求的天然雪。人們首先嘗試通過向雲層播散碘化銀製造「真雪」。目的是增加雲層的濕度，使其下落成為雪晶。如果你能簡化降雪的Wegener-Bergeron-Findeisen過程，理論上會增加降雪率。

事實上，歷史證明提升播散效力非常困難。但大範圍精心部署的大氣檢測儀器最近給出的結果表明，向一部分狀況良好的暴風雪的雲層播散碘化銀的確能稍微提高總降雪量。

另一個無需暴風雪的方法是能製造鵝毛般天然雪晶的造雪機。科學家在實驗室製造雪花的歷史長達數十年，但是製造的過程十分精密，並且通常來說研究人員一次性只能製造少量雪花。因為冰晶通常生長緩慢，研究人員為滿足滑雪要求而成數量級擴大造雪規模顯得十分棘手。為了滿足滑雪者和單板滑雪者對蓬鬆雪粉的需求，我和我的同事Trey Alvey開發了一種模擬自然冰晶形成大量雪花的技術。我們的公司Quantum Snow對該技術進行商業化。

2022年冬奧會舉辦地乾燥且裸露的山峰事實上並不適合滑雪。但是感謝造雪技術，運動員比賽時能夠獲得穩定的雪，或按需獲得冰面。並且所有的運動愛好者應該感謝現代技術，正是這些技術幫助勇敢的運動員帶來高速滑雪和單板滑雪的精彩表演。

來源：

https://www.scientificamerican.com/article/the-olympics-has-100-percent-fake-snow-heres-the-science-of-how-it-gets-made/