人工造雪技術(shù)研究進(jìn)展

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(jìn)一步對其他液滴進(jìn)行吸附，進(jìn)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(fēng)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(dá)到飽和狀態(tài)。當(dāng)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(jìn)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。可以發(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)槔庵鶢睢ｋS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(jìn)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(xì)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(xì)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(xì)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(hù)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(xì)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(jìn)行細(xì)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行混合，而當(dāng)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(xì)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(xì)小水滴，形成晶核，但是外混合型造雪機受風(fēng)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(fēng)扇型造雪機。風(fēng)扇型造雪機只是使用了簡單的噴嘴，使水成為細(xì)小的小水滴，使用大功率風(fēng)扇高速將小水滴吹出，使其懸浮在空氣中，進(jìn)而有足夠的時間進(jìn)行冷卻和凝固。主要優(yōu)點是不需要對空氣進(jìn)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(fēng)扇型造雪機Fig.3 Fan type snow machine

壓縮空氣型造雪機與風(fēng)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(xì)小的冰顆粒，再通過風(fēng)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(zhǔn)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。