陸丹旭，郭嘉宇，李潤玲

(河北建筑工程學(xué)院市政與環(huán)境工程系，河北 張家口 075000； 河北省水質(zhì)工程與水資源綜合利用重點實驗室，河北 張家口 075000)

人工造雪技術(shù)在歐洲、北美洲及澳洲已得到重要應(yīng)用。人工造雪是減緩全球氣候變暖對滑雪場影響的主要措施，對降低滑雪場在氣候變化背景下的脆弱性和敏感性發(fā)揮了重要作用[1]。人工造雪技術(shù)是保證2022年北京張家口冬奧會順利舉辦的必要條件[2]。

1 人造雪晶的原理

1.1 人造雪晶產(chǎn)生機理

人工造雪基本原理是由造雪機噴嘴噴出的小水滴在寒冷空氣中發(fā)生凍結(jié)。小水滴霧化后通過噴嘴噴入周圍的低溫空氣中，霧化后的小水滴自身發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象的同時，與溫度較低的空氣交換熱量，導(dǎo)致小水滴發(fā)生凍結(jié)并形成晶核，晶核再進一步對其他液滴進行吸附，進化成為擁有六角星型的雪晶。雪晶吸附水蒸氣，生長成為雪花——具有分枝結(jié)構(gòu)的單晶體及其聚合物。按照有無其他外界物質(zhì)影響，晶核形成分為均相成核和異相成核兩種成核形式[3-4]。異相成核，即有外界物質(zhì)(如塵土、微晶粒等雜質(zhì)顆粒)，這些雜質(zhì)有助于晶核形成。勻相成核則純粹是依托交換熱量自發(fā)結(jié)晶[5]。實際情況中，如果氣溫高于-5℃，可以利用異相成核原理，向水里加入Ca2+、Mg2+或其他微粒[6]。液滴大小對形成晶核成敗有著重要影響，如果液滴尺寸太小，可能被風吹散；液滴尺寸太大，那么在飄散到地面的過程中也較難形成晶核。一般理想的液滴尺寸區(qū)間為200～700 μm，即0.2～0.7 mm，這樣的液滴在15 s內(nèi)即可凝結(jié)[6]。

1.2 雪晶形成的基本條件

在自然界，使空氣中的水汽發(fā)生結(jié)晶并形成雪花必須滿足以下三個條件[7-8]：一是空氣中的水汽達到飽和狀態(tài)。當飽和的空氣氣溫低于露點時，空氣中就會有富余的水汽變?yōu)樾∷位虮?，但由于冰面的飽和水汽含量比水面的飽和水汽含量低，滿足冰晶生長條件的水汽飽和度比水滴的水汽飽和度更低，因此水滴在濕度大于或等于100%時才能產(chǎn)生，而冰晶往往在濕度小于100%的環(huán)境中也能產(chǎn)生，且氣溫越低，冰晶產(chǎn)生所需要的濕度越小，所以在高空溫度較低的環(huán)境中，相對于水滴而言更容易產(chǎn)生冰晶。二是空氣中必須有凝結(jié)核。凝結(jié)核是在空氣中懸浮的固體顆粒物，且這些固體顆粒物體積微小，尤其是一些吸收水分能力較強的物質(zhì)顆粒，如硫酸、氮等其他化學(xué)物質(zhì)。宋玫峰等[9]發(fā)現(xiàn)，碘化銀(AgI)微粒對雪晶的形成具有極好的促進作用。三是有必要的氣溫及水蒸氣過飽和度條件。自然界中冰晶形狀隨著氣溫變化及水蒸氣過飽和度的變化而產(chǎn)生多種種類。Weickmann等發(fā)現(xiàn)了自然界冰晶形狀與氣溫也有一定的關(guān)系，如表1。

表1 冰晶形狀及其溫度范圍Tab.1 Ice crystal shape and its temperature range

雪晶形狀隨氣溫、過飽和度的變化而變，如圖1?？梢园l(fā)現(xiàn)，溫度變化導(dǎo)致雪晶形狀也隨之變化。在溫度逐漸降低的過程中，雪晶形狀發(fā)生了3次改變。-4℃時，雪晶從板狀變?yōu)槔庵鶢睿?10℃時，雪晶從棱柱狀變?yōu)榘鍫睿?22℃時，雪晶從板狀變?yōu)槔庵鶢?。隨著過飽和度的增加，雪晶從六邊形變成了其他形狀，這種多變的形狀大致可分為4類，即板狀、棱柱狀、枝狀、針狀[10]。

圖1 雪晶形狀隨氣溫與過飽和度的變化關(guān)系Fig.1 Relationship of snow crystal shape with temperature and supersaturation

1.3 利用人工冰核提高人工造雪效率

在冬季早期典型的邊際天氣條件下，環(huán)境溫度較高，人工造雪效率較低，水資源消耗較高，使用冰核提高人工造雪效率技術(shù)已經(jīng)被廣泛采用。冰核是促進液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)水或冰晶的微粒，而冰核活性蛋白擁有能在-2℃～-5℃這樣相對高的溫度下形成質(zhì)地細膩、外型規(guī)則的微小異質(zhì)冰晶的能力[11]，具有冰核蛋白冰核活性的細菌在冰核蛋白作用下能使水分子按照一定順序規(guī)則排列，形成質(zhì)地細膩的冰晶核。目前，對于冰核蛋白的研究與應(yīng)用主要集中在促凍殺蟲、植物保護和作物抗寒育種、食品工業(yè)及人工降雪等領(lǐng)域[12]，以下是幾種常見的人工冰核：

一是碘化銀(AgI)。它是目前國內(nèi)大規(guī)模使用的人工冰核，其利用火箭、高炮、飛機等設(shè)備作為載體運送到高空中，隨后發(fā)生燃燒、擴散，同時生成氣溶膠，將AgI冰核微粒利用這些載體運送到云層中，發(fā)揮催化作用，但是如果AgI播撒量過大，會導(dǎo)致其播撒點周圍空氣環(huán)境受到影響，所以綠色環(huán)保的生物冰核為人工冰核的研究方向。

二是生物冰核Snomax(商品名)，又稱“造雪劑”(snow inducer)。主要用于滑雪場的人工造雪。Snomax是從丁香假單孢桿菌中提取的一類生物蛋白，該細菌蛋白在造雪過程中作為“晶核”，加速液態(tài)水轉(zhuǎn)化冰晶，提高冰點，降低造雪過程能量損耗[13]。

2 人工造雪機的發(fā)展

近幾十年來，美國開發(fā)了多種人工造雪機，基本原理是利用壓縮空氣將水進行細化，噴灑在處于氣溫非常低的空氣中，實施人工造雪[7]。人工造雪技術(shù)不斷發(fā)展， 造雪機研究方向主要是增加人工雪產(chǎn)量，提高人造雪質(zhì)量，減少不必要能耗，節(jié)省維護運行費用。

3 人工造雪機工作原理

人工造雪機正常運行時，成核劑器制造水和壓縮空氣充分混合并通過寒冷的大氣環(huán)境形成雪核(晶核)。造雪用水在造雪機噴嘴處被霧化成微小水滴，它將與凝結(jié)核結(jié)合，在空中降落過程中發(fā)生凍結(jié)成雪晶[14]?，F(xiàn)有的造雪機大致分為以下3種類型[15-16]：

一是壓縮空氣型造雪機。通過冷水與壓縮空氣混合形成小水滴，產(chǎn)生晶核，在這種類型的造雪機中，壓縮空氣主要起到了以下作用：將水進行霧化，通過擾動氣流使水形成微小的、分散的水滴；將這些水滴散播到空氣中，促進空氣與水滴充分接觸與混合；加速空氣中散落的水滴冷卻。被壓縮后的空氣膨脹是一種吸熱過程，空氣膨脹后從周圍環(huán)境中吸取大量的熱量，周圍溫度隨之降低，促進水滴冷卻。根據(jù)水與壓縮空氣不同的混合方式，壓縮空氣型造雪機分為內(nèi)混合型系統(tǒng)及外混合型系統(tǒng)，區(qū)分兩者的方法是水與壓縮空氣是在噴嘴內(nèi)部混合還是外部混合。對于內(nèi)混合型系統(tǒng)來說，水和壓縮空氣在噴嘴內(nèi)部進行混合，而當混合物離開噴嘴，噴向空氣中時，由于外界環(huán)境過冷，相對細小的水滴會凝固形成冰晶核，同時會聚合其他小水滴從而生長成為雪花。在外混合型系統(tǒng)中，壓縮空氣膨脹過冷來自水噴嘴產(chǎn)生的細小水滴，形成晶核，但是外混合型造雪機受風力影響較大，對環(huán)境溫度、氣水混合比、水溫的要求較高[17]，這類造雪機一般安裝在塔架上，缺點是永久安裝不易移動，工作原理如圖2。

圖2 壓縮空氣外混合型造雪機Fig.2 Compressed-air external mixing snow making machine

二是風扇型造雪機。風扇型造雪機只是使用了簡單的噴嘴，使水成為細小的小水滴，使用大功率風扇高速將小水滴吹出，使其懸浮在空氣中，進而有足夠的時間進行冷卻和凝固。主要優(yōu)點是不需要對空氣進行壓縮，只需提供水和電。但是由于沒有壓縮空氣膨脹吸熱，在應(yīng)用條件上，環(huán)境溫度需要比壓縮空氣型造雪機更低，工作原理如圖3。

圖3 風扇型造雪機Fig.3 Fan type snow machine

壓縮空氣型造雪機與風扇型造雪機的特點與區(qū)別見表2。

表2 不同種類造雪機的特點比較Tab.2 Comparison of characteristics of different types of snow making machines

三是碎冰型造雪機。其工作原理比較像刨冰機，將大體積冰塊通過碎冰型造雪機打碎形成體積細小的冰顆粒，再通過風扇吹向空中。雖然碎冰型造雪機減小了對環(huán)境溫度的依賴，但使用碎冰型造雪機之前需準備大量的冰塊，而冰塊儲存需要大型冷庫保溫，冷庫的設(shè)立提高了成本，占據(jù)空間，大量冰塊運輸、搬運非常不方便，如今除了一些游樂場及室內(nèi)滑雪場正在使用，其他大型滑雪場已淘汰使用。

3 結(jié)語

由于全球變暖，降雪量下降，滑雪場的正常運營越來越離不開人工造雪。其也是開展室內(nèi)冬季運動項目的重要保證，對營造降雪環(huán)境，創(chuàng)造商業(yè)環(huán)境氛圍，克服季節(jié)因素的影響。人工造雪技術(shù)會更加完善，為滑雪產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供更為切實可靠的技術(shù)保障。