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突破“卡脖子”技术,实现冬奥“用雪自由”

科普中央厨房

冬奥会的比赛用雪并不依赖自然,而是借助人工造雪技术。人造雪如何“批量生产”?我国克服的“卡脖子”技术“冰状雪”又是什么?

采访专家

苏正军(中国气象局人工影响天气中心正高级工程师)

提起冬季奥运会,人们总会联想到银装素裹、白雪皑皑的场景。雪不仅是冬季户外运动的美丽背景和衬托,更是每一条赛道的最基本组成。

那么,开展冬季奥运会是否要依赖“天公作美”获得合格的比赛用雪?尤其对于举办2022年冬奥会的北京来说,尽管2月仍是春寒料峭,但之后召开的冬残奥会,会不会因为气温的回暖而面临用雪困境呢?

这样的担忧显然是多余的。造雪科技取得的发展,已经足够让本届冬奥盛会实现高质量“用雪自由”。

此雪非彼雪:人造雪更安全、更可控

记者了解到,为了保障赛事期间雪上项目能够顺利进行,本届北京冬奥会采用了高效率、高质量、全自动和可操控的人工造雪方案,并从“造雪、保雪、储雪”三大方面来确保赛事期间的用雪不受影响。

△11月15日,张家口赛区国家越野滑雪中心利用自然降雪的有利时机,开启造雪机进行造雪作业(来源:新华社)

考虑到自然界天气过程尤其是降雪的不确定性,雪上竞技项目的国际赛事尤其是冬奥会,一般都会使用人工造雪来铺设雪地赛道。究其原因,一方面是因为人工造雪技术是人为可控的,可以不用“靠天吃饭”;另一方面,这种技术的门槛相对较低——只要温度低于0℃,造雪机就能工作。

“通常人工造雪都是使用‘雪炮’式造雪机,这种机器的原理分为两种,一种是用制冰装置生产出很小的‘片冰’,然后用片冰做原料来造雪;另外一种就是传统的高压水与空气混合造雪。”中国气象局人工影响天气中心正高级工程师苏正军告诉记者。

传统的人造雪是将水注入专用的喷嘴或喷枪,后者利用高压空气将水流分割成微小的粒子,这些水滴粒子遇到寒冷的外部空气,就会在落地之前快速凝固成为冰晶,变成人们所熟知的雪花。

“人造雪形成的时间短、生长快,雪花的形状也基本一致。自然的天气降雪,在第二天会有比较明显的硬度上的变化。”苏正军解释道。

在凌晨,户外气温较低时形成的天然雪,凝固程度通常比较高,此时雪质偏硬,类似“冰碴”。这种状态的雪,虽然会让滑雪选手达到比较快的滑行速度,但是也让雪板的抓地效果欠佳。尤其对于新手来说,如果松软的天然雪没有被压实,雪板非常容易陷入雪中,造成侧翻、急停等事故。

△平整的机压雪道,也被爱好者们称为“面条雪”,在机压雪道上滑雪则被比喻为“吃面条”。图为吉林长白山国际度假区的机压雪道(来源:新华社)

相比之下,人造雪的雪质则更具可控性,尤其是优质的“冰状雪”,在出太阳后会逐渐由粒状转变为粉状,此时的雪质最好、绵软适中,最适合使用雪板的各项户外比赛。

打造雪上“橡胶跑道”

人造雪能够帮助我们摆脱对自然降雪的依赖,这个容易理解。那么为什么在常年有雪、降雪量极为充沛的地区,一些冬季项目的赛道依然采用人工造雪呢?

这就不得不提到人工造雪的另一个优点:可定制。根据不同赛事、不同场地的需求,人造雪是可以自由调整雪花的粒径、含水量和硬度的。

例如,作为冬奥传统赛事的高山滑雪,因为观赏性强一直被誉为“冬奥皇冠上的明珠”,但是该项目中参赛者的运动速度非常快(最高时速可达248公里),危险性也非常大,因此对赛道的要求也更加严格。想要打造一条符合高山滑雪国际标准的雪道,所用之雪绝非一般的天然雪,而是由人工制成的“冰状雪”。

所谓冰状雪,是用来形容滑雪场上雪质的一种状态。在这种状态下,雪花的密度约为0.65克/立方厘米,雪道表面保持结晶状态,仿若有着一层薄薄的“冰壳”,近似于冰面。这样的雪道硬度大,不易被破坏,在运动员高速转弯的情况下能保证雪道表面不变形,选手不论第几个出场,雪道的状态都是一样相对完美。

△竞赛级别的雪道密度更高“更瓷实”,滑起来更快,但摔起来也更疼(来源:“柴知道”微信公众号)

如果使用冰状雪来为高山滑雪铺压道面,就仿佛在雪地建设了一条“塑胶跑道”,不仅能够减小赛道表面对滑雪板的摩擦力、显著提高运动员成绩,同时还能提高运动员在滑雪时的舒适感、保护他们的身体关节,尽可能地延长运动员的职业运动生涯。

保雪、储雪技术确保赛道质量

很长时间以来,打造高质量的冰状雪赛道都是我国冰雪产业的“卡脖子”技术难点。为了迎接北京冬奥会及冬残奥会,科研工作者通过不懈的努力,建立了北京延庆、张家口赛区制造冰状雪的属地参数,同时借助注水和压实成套的制雪工艺,最终成功造出了符合大陆性季风区气候条件的合格冰状雪。当地山区的冬季自然降雪,则成了装点冬奥赛区的“景观雪”。

其实对于高规格的冬奥赛道来说,自然降雪反而是种“负担”。如果遇上了下雪天气,松软的天然雪就会导致“光滑如镜”的冰状雪赛道功亏一篑。另外,由于北京冬奥及冬残奥会处于冬春交替时期,可能遇上其他极端天气,例如遇到突如其来的降雨,雨水会导致赛道表层结出薄冰,增加运动员在比赛中所面临的风险。

△今年2月23日,延庆赛区国家高山滑雪中心(“雪飞燕”)的工作人员正在检查和修整赛道(来源:新华社)

经过科研人员的规划,如果真的遇到“天公不作美”时,工作人员会立即使用压雪机重新压实雪道,并对赛道进行紧急整饰。同时,为了确保赛道的质量,他们还会使用冰雪硬度仪、冰雪粒径仪等自动测量仪进行快捷检测,从而切实保障雪质合格,在最短的时间里恢复比赛的正常进行。

据悉,为了保障赛事期间的用雪充足,本届北京冬奥会在储雪方面也做了大胆的尝试:趁着冬天温度较低的时候,提前先把合格的雪造好,然后再把这些雪储存在一个平整的场地,等到次年再使用。

这个仿佛天方夜谭般的方案,早在2017年就已经通过了可行性测试。北京冬奥组委会曾在延庆石京龙滑雪场顺利开展过储雪试验。经过次年春夏的考验,最终有超过六成的人造雪被成功储存了下来。

延伸阅读:打造冰状雪赛道分几步?

打造可供奥运赛事使用的国际化、高水准的冰状雪赛道,也不光是造雪机的功劳。目前,冰状雪赛道可以分为竞速和竞技赛道两大类。以铺压冰状雪竞速赛道为例:

压雪车首先需要将雪道翻开,将雪块破碎、让雪面疏松;

根据赛道所处的地点以及当时的气温,向雪地内部进行注水——只有这样,才能保证赛道既有一定的强度,又有足够的弹性;

通过不断地翻压、将湿雪一次次压匀,一条冰状雪赛道的雏形算是基本成型;

△与竞速赛道浇水方式不同,竞技赛道采用“Z字型注水器”注水方式(来源:北京日报)

此后,工作人员要确保冰状雪层厚度一致,雪道上没有较大的孔洞,确认一切无误后再压平赛道,让雪层自下而上形成亮晶晶的“冰壳”;

在完成所有步骤后,工作人员还需要清理赛道上的浮雪。

至此,一条合格的“如镜面般”的冰状雪赛道才能投入使用。

撰文/记者 王雪莹

编辑/丁林 新媒体编辑/吕冰心

出品:科普中央厨房

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评论
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少傅级
提起冬季奥运会,人们总会联想到银装素裹、白雪皑皑的场景。
2021.11.30
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科普助力,冬奥加油!
2021.11.30
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我国造雪科技取得突破性的发展,已经足够让本届冬奥盛会实现高质量“用雪自由”!
2021.11.30