举办一届冬奥会,需要多少雪
2013 年3 月,莫斯科的市民还在忙着扫雪。而2014 年冬奥会主办地索契,由于气温异常偏高,组织方正千方百计储存雪,以免一年之后陷入无雪或少雪的尴尬境地。索契冬奥会组织方在附近的高加索山脉储存了45 万米3 的雪,还覆盖了专门的“保温膜”,以防雪在夏天融化。虽然有14 万米3储备雪融化,但仍有逾30 万米3,足够满足2014 年使用。2018 年韩国平昌冬奥会,为了满足赛事的需求,韩国邀请了一家美国企业,开凿了一个容积达13 万米3 的人工湖,每分钟能够将8.5 吨水转化成雪。
其实,在1980 年美国普莱西德湖冬奥会上,就第一次使用了人造雪。由于人造雪从提高运动员成绩来说比自然雪更好,而且可控性比较好,所以,冬奥会使用人造雪已经成为惯例。国际奥委会在2015 年就提出,延庆和张家口赛区必须依赖人工造雪。北京和张家口冬奥场地2 月可能高达60%的赛事需要人工造雪。一场冬奥会要用掉多少人造雪?雪由雪晶,也就是雪花构成。把1 万枚雪花堆在一起,能得到大约1 克的雪。而一座5S 级别的商用滑雪场,至少需要1.8 万米3的雪,才能堆满一条1000 米的初级滑雪道。滑雪场里的雪是怎么造出来的?什么样的雪滑起来更畅快?
云顶保障组更换云顶2 号气象站雪温传感器(摄影:王旭海)
形成降雪必须具备两个条件:一是饱和水汽,二是空气里必须有凝结核。一般情况下,空气中存在许多微小颗粒,也就是凝结核,它们能吸收空气中的水分,形成液滴,当液滴冻结成冰粒,就成了雪花的晶核。如果空气中没有凝结核,那就需要更低的温度,水汽才能自发地液化和凝华,形成晶核,速度也更慢。这也是为什么一瓶没有杂质的纯净水放在0℃以下,会变成一瓶液态的过冷水,而不容易结冰。晶核形成后,第二步是晶体的“生长”。在微观尺度下,晶核中的每个水分子会和另外4 个水分子形成“空间六方晶格结构”。当温度够低、水汽饱和时,水汽就会在这3个辅轴上凝华结晶,让雪花不断生长,变成我们熟悉的六角形对称结构。温度和水汽的过饱和度,会影响水汽在不同轴上的生长速度,让雪花长成板状、针状、棱柱状等形状。冰晶在下落过程中,有时会融化而有时不会,这就分别形成了雨和雪。
冬奥会所说的人工造雪是指通过造雪机生产人工雪,与人工影响天气中的“人工增雪”概念完全不同。目前造雪机进行人工造雪的方式主要有两种。第一种是制冰装置将水制成片冰,然后以片冰为原料造雪,通过碎冰装置把已经造好的片冰粉碎成末,最后, 通过把粉末状的冰晶通过空气输送系统送出而形成人造雪。第二种是采用传统的高压水与空气混合造雪,来自高压水泵的高压水与来自空气压缩机的高压空气在双进口喷嘴处混合,利用自然蒸发和空气出喷嘴后的体积膨胀带走热量而使雾滴凝固成冰晶制成雪。如今,许多厂商研发出了型号各异的造雪机,不过基本原理都是模拟自然雪的形成。
2 月16 日云顶13 号站(B2515)已修复,11 时数据正常上传中心站(摄影:王旭海)
这也就意味着人工造雪和自然降雪一样,会受到气象条件的影响。温度、湿度、风向、风速、气压等气象要素对造雪有重要影响,所以气象工作者为滑雪运动所能提供的服务不仅包括场地气象服务,而且要为造雪条件进行预测。
云顶保障组正在抢挖13 号站,2 月16 日云顶13 号站(B2515)已修复,11 时数据正常上传中心站(摄影:王旭海)
不同的造雪机型号和造雪环境,能够产出不同雪温、黏度、摩擦力,以及颗粒大小不同的雪晶,也能造出和天然新雪触感相同的粉雪。粉雪蓬松有弹性,踩在上面会发出“嘎吱”的声音,即使人在上面摔了也不疼。
但是,粉雪对于滑雪者的技术要求也更高,因为雪质太软,一踩一个坑,一般人根本滑不起来。大多数滑雪场在造雪的同时,还需要用压雪机把雪压实,以增加雪的密度,让雪道更瓷实,滑起来更快。国际雪联要求高山滑雪的雪道表面必须保持近似于冰面的结晶状态,也就是所谓的“冰状雪”。这种雪道需要经过注水、反复翻压等一系列操作才能形成,之后还得每天维护。
在崇礼赛区,由于当地冬季降雪较多,通过融雪水循环利用,可大大提高水资源利用效率。4 个竞赛场馆都有“海绵”体质,将融雪水、自然降水进行高效回收存储,在雪季时可作为造雪用水。因此,在每年的滑雪季,赛道上还能看见上一年的雪。
在延庆赛区, 从2018 年10 月开始,建设了一套由900 米塘坝、1050 米塘坝及1290 米塘坝共同组成的调蓄水池,形成造雪引水系统,总蓄水量可达20.5 万米3,其中有效库容约16 万米3。国家高山滑雪中心最高点位于小海陀山山巅2198 米处,垂直落差约900 米,建设的7 条雪道全长约9.2 千米,按照冬奥会竞赛标准,高山滑雪的各项比赛赛道均需采用人工造雪方式造雪。
随着滑雪的流行,造雪的需求也在逐渐扩大。根据《2019 年中国滑雪产业白皮书》,中国的770 座雪场里有8559 台造雪机,相当于每座滑雪场里有11 台。而中国国家高山滑雪中心测试赛造雪量26 万米3,就动用了117 台造雪机和19 台压雪车。