雪晶成因及人工造雪分布类型探讨 - 副本
低温与趑碍制冷技术
Ｃｒｙｏ。＆Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄ。
第３９卷第６期
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
Ｖ０１．３９
Ｎｏ．６
雪晶成因及人工造雪分布类型探讨
撩鬟
（无锡商业职业技术学院电子工程系，无锡２１４１５３）
摘要：从雪晶戏核觏生长两个方蘑深入探究了雪晶成因槐理，讨论了影响雪晶形成过程中各种作用因素，分辑总结了人工造雪分布类麓和及其榴关的影响因索。对予透髯技术的遴一步扩展，以及合理规麓滑雪项蠢，舆有较为重要的指导意义。
关键弼：雪晶；人工造雪；成核；分布
Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｎｏｗｆｌａｋｅｓａｎｄｓｎｏｗｍａｋｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｙｐｅｓ
ＬｉｎＹｏｎｇ
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
ｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｘｉＶｏｃｍｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｍｍｅｒｃｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉ２１４１５３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｓｎｏｗｆｌａｋｅｓ
ｗａｓ
ｆｕｎｈｅｄｙｓｔｕｄｉｅｄｆｒｏｍ
ｔｗｏ
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ｃｒｙｓｔａｌｓ，ａｎｄｅｆｆｅｃｔｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ
ｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｎ
ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｓｎｏｗｍａｋｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｔｙｐｅｓａｌｏｎｇｗｉｔｈｔｈｅｉｒ
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ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒａｃｔｉｃｅｓｆｏｒｓｋｉｉｎｄｕｓｔｒｙ。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｎｏｗｃｒｙｓｔａｌ，Ｓｎｏｗｍａｋｉｎｇ，Ｎｕｃｌｅｕｓ，Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
１
前言
基等科技褪经济发达毽家较军开始对雪晶进行研究，目前掌握着最先进的研究成果和造雪技术。随着人们物质生活水平的提离和科学技术的
经过各国不断研究，对雪晶的成因有着较为深入发矮，久船对娱乐文化的要求也越来越赢。入工的了解。这里羞重从雪晶成核撬理帮生长过程人造雪技术，作为制冷技术的新领域，为保证冬季滑手，来探讨促进雪晶成长的各方面作用因素。
雪项目的顺刹进行，截造了良好的人工环境。雪２．１
雪晶成核机理及其促晶因素
燕藏因极理的研究，对予造雪技术的进一步扩震，鑫核，作为东蒸气的鑫纯皆心，是雪晶形成戆
具有深层次的指导意义。此外，造雪技术在西欧先决条件。随着水蒸气在晶核上凝固结晶，所形北美以及澳洲已得到重大应用，甚至成为圈民经成的具有六角对称结构的冰晶单体即雪晶。雪晶
济的重要支柱。尤其在澳太莘｜ｌ豫，冬季滑雪项蠢荐不断吸附水蒸气，长大形戒舆有分棱结构酶单
阶段人工造雷的覆盖区域甚至达５９％【ｌ』，研究人晶及其其聚合物即雷花。雪晶成核过程按有无外工造雪分布类型和及其相关的影响因素，对于因界物质影响分均相和异相两种成核形式。
时因缝合理趣划滑雪项罾具有重大意义。懿蓊匡在没有其健魏凌存在的条件下，壶纯零蒸气内公开的文献对这些方面进行系统性的分析较由于热起伏自发结鼠的现象为冰晶的均成核。研少，丽其分布类型又涉及气候变化、纬度、季节性、究表明成核过程由热力学条件决定。丽在实际的厚度、可靠饿、性赞眈等多方面因索。在鼗本文作成核过程中，水蒸汽常常围绕或依附予豢些不均了总结分类，并就下一步的研究作了展望。
匀处产生和长大成液滴，这些不均匀处可能是存在于水蒸汽中的或人为投入的外来杂质颗粒，如２雪晶成因探讨
尘埃、裰燕粒，也可能是一些殴有的界露，如固体容器壁面，或者是突然的压缩、电场或辐射等外来
人们对雪晶形成机理和造雪技术的研究是伴
因素。这些外部影ｎ向作为晶种起到了催化的作隧着工农煦生产和科研对雪的需求而进行的，美、
用，增强了形成临界尺寸凝结核的概率。这样的
收稿日期：２０１１—０３—１７
季筝者篱分：转勇《１９６９一），簧，王豢矮圭，剽教授，主要爨究方逡：裁冷空调节麓、接镶技术。
制冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ第６期
成核过程称为异相成核。利用电子显徽镜观察自
地再次成核．这～现象被称为冰核的“预活化”或
然雪晶巾心的棱时发现许多梭是由上壤、岩石微
“记忆效应”。
粒、烟粒、有机物、璺喵等组成的，这些质点属于不
２
２雷晶生长机理殛其作用因素
可溶性核。从成核的澎度来看，异相成棱所需的
湿度比均相成核所需的湿度低得多．因此异相成
核更容易实现。
关于促进雩品成棱的田索，根据查阅的史献，
整理如下：
（１）币溶性微粒
Ｘ
最有效的小溶性微粒是碘化银，碘化银晶体
Ｏ
与雪晶的六角形单体尺寸非常相似．它们单体里
订状▲，，ｊ》
目Ｉ
Ｍ日白勺￡胞特柑圈
的原子排列也十分近似，因此把碘化银微粒撒在ＦｉｇＩ
Ｄ‘％‘Ⅻｏｆ
ｕｎｉｔ
ｅｅｌ］ｏｆ…ｍｔａｈ
成核能力较差的水蒸汽中，用它作为“冰核”，便
晶核形成之后，在台适的温度和湿度下，可以能使水汽在Ｌ面结晶成雪晶。碘化银的成核能力阜长成各种形状和大小的雪晶。雪晶的基本形态
极强，ｌ克碘化银溶解在丙酮里，在火焰ｆ‘挥发可
为六角对称结构，这屉由冰晶的空间六方晶格结以产生ＩＯ”个在一１５％时话化的冰核“。
构决定的，其六方晶系的基本晶胞的构成如图１（２）可溶性微粒
所示。温度和湿度以及其它外界条件央定着雪晶
可以促进冰核产牛的可溶性微粒有食盐和尿的具体形状和大小。
素。在水蒸汽中加＾食盐质点，当食盐吸水之后，环境温度和湿度对雪晶的生长和形状的影响
其表面形成一层溶液膜，从而使枝表面的饱和水是非常复杂的．图２为雪晶形状与温湿度之间的气压降低，因此，即使在未饱和的空气中，水蒸汽
关系。从图２中可见，随着温度的降低，雪晶的形
也可以在食盐质点表面Ｊｊ凝固结晶。实验表明，状发生二次转变，即在一４℃时由板状变成棱柱当相对湿度≥７８％时，水汽就可以在食盐表面凝
状，在一１０％时再变成板状．在一２２ｔ时叉变成棱固结晶了。在过冷水雾中加人尿素．尿素融解吸
柱状。美崮加利福尼亚工学院的Ｋｅｎｎｅｔｈ
Ｇ
Ｌｉｂ．
热冷却微小液滴，从而促进成桉。
ｂｒ眦ｈＩ对冰晶不同表面的生长率进行了实骑研究
（３）超声速气流绝热膨胀
”１，实验结果丧明．当温度在一１０℃～一１５℃时．
超声速气流的绝热蟛胀冷却作用可以触发晶
冰晶棱面的生长率太于底面的生长率．于是雪晶棱产生。气流速度越大，通过绝热过程产生的温
生长成板状和柱状；温度低于一２０℃时，冰晶底面降也越大，当气流速度达到或超过声速时，气流巾的生Ｋ率太于棱面的生长率，雪晶因此生长成柱
将形成膨胀被．气流通过膨胀波进一步绝热冷却，
状和针状。
从而导致过冷雾滴核化。在过冷水雾中爆破直径
影响雪晶生长的其它外界因索很多，包括物为】５ｒａｍ的气球后，发现有大量珠晶产生”’＝在
理因素和化学因素，常见的有以下两种”１：
人工造雪机技术发展中，该方法具有一定的主导
（１）背景气体对雪晶生长的影响
作用．如压缩空气型造雪机，它是通过冷水和压缩生长环境中的气体可以影响雪晶的生长情卒气来形成细小水滴．产生品核，并结合较太床滴况，在纯水蒸汽中雪晶生Ｋ成简单棱柱体；惰性气或环境空气巾帕水分形成霄晶。
体氦气可以降低雪晶的生长速率。大气中的气溶在成核实验中研究者发现当温度高于一ｌＯ℃胶和微量有机气体也可以影响雪晶的形状．例如时．冰晶的浓度高于冰棱的浓度．这是由于当水滴
把微量樟脑气体引＾云室后，在Ｏ℃到一４０℃的
和球桉靠拢接近时，球接在靠近水滴的方向上生
温度范胃内都出现针状雪晶，衙引＾异丁酵酒精
长出分枝，当两者问距增大时，分枝便会折断，成后，正常的枝状雪晶被板状冰晶所代替。针晶在
为次级冰晶”。研究者还发觋核化过的微粒町洁净的环境中是很难形成的，在生长环境中加入
以在低于Ｏｔ、相埘湿度高于５０％的环境中轻易
醋酸蒸汽后就可以得到大量的针晶。
第６期剜冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
Ｈ｝２Ｃｈａｎｇｅｚ
ｏｆ…邢“ｓ
龉２雪品形状随韫度和过饱和度的变化
ｓＩｌａｐＨｕ．ｄｅｒ
（２）外加电场对雪晶阜长的影响
ｄｌｆｆｅｗｎｌｌ娜“…Ⅻｄ一…Ⅻ９雪晶。Ｈａｌｌｃ｜【和Ｍ８ｓｏｎ”在他们的扩散型云宅中
用细的纤维作冰品增长矸究。‰ｂ８ｙ船ｈｉ９利用
Ｈａｈｙａ对流混合五窜．使很细的纤维上长出冰
外加电场ｒ¨以强化和拄笳雪晶的生长。晶体
通以高压电后，晶体尖端的电场极化了周叫的水
分子，被极化的水分于扩散卒增强．于是大最的水分子嗳跗在晶体尖端ｌ。，正常的生长速串仪为３一４微米／秒，而通电后ｄ６体的生长速率高达２０９．微米／杪．晶体可以生托应直径仪为２００纳米的细
长针品。如果切断电源・在引晶末端可“生长出一个枝状雷品
晶。王昂生，Ｆｕｋｕｔａ……利用一十楔形冰面热力扩
散云室，在尼龙缒上获取避过一套滑动装置冰晶
的二维增长信息
３
人工造雪分布类型探讨
人Ｊ二造雪分ｍ类型的研究，尤其对于举行国
匿
帮
Ｓ…Ⅲ…ｍｅ
ｒａｂｂｉｔｈｉｒ
际件的重大滑骘比赛等体育活动．对于人工造雪
覆盖率比较高投＾也较高的周家．更具有重要指
、ｊ阐：≥乏§≥
导意义。统计数据表明．２００６—２００７年度冬季澳
大利亚蒂罗尔滑霄业（Ｔ”Ｄｌ咖ｓｋｉｉｎｄｕｓｌｒｙ）在总
投资的２７０ｍｉｌｌｉｏｎ酞元中有５５ｍｉｌｌｉｏｎ殴元用于
直接造雪”，从而束确保各种体育训练和崮际赛
事的正常进行。人工造雪场景如上圈４所示。实际ｔ．人工造雪分布类型有些复杂．这里根据季节性、纬度、气候等因素作分类并总结，
（１）基层人工造雪
可以定义为滑雪季青的首要人工造雪区域，
圈３在兔毛ｌｔ长出来的雪晶
Ｆｉｇ＋３
此外，对实验室扦腱的让冰晶平稳地保持在
一个平面上或不同材料的纤维上增长的研究这里
开始时间－般介于１Ｉ爿中旬和１２月初”，该
区域的开放主要受经济周索影响较为突出，如市
也略作总结。Ｎａｋａｙａ。在一对流型云室的可拄
制环境下．第一次枉兔毛上成功地生长出ｒ一龋
场计划．比赛时问，季节性劳动力供需状况等．此外，该区域受气候影响也较大，尤其是近些年来的
制冷技术
Ｒｅｆｒｌｇｅｍｔｉｏｎ第６掰
全球变暖效庇．使得雪线｝．移．人工造雪的成本也逐步增加，这里需要说明的是，对于自然降雪，山上的雪一旦失去其晶体结构就会变成球形，也就不能再被塑造成形。而人工降雪易于在较长时间内保存雪的质量不变，保持其良好的晶体结构．比自然雪更适于抵抗升华以及米自光源的热量的影响，滑雪者的装备也可以重复使用。
（２）高纬度区域人工降雪
一般Ｉｆｌ『言，进人初冬季节．滑雪场工作人员通
保障。关于该领域』、工降雪．外在的影响条件多为各个滑雪胜地的相互竞争和人工雪场对全球游客的吸引力。此外，天气的变化（晴天或雪天）也有一定的影响。
（４）舒分冰河区域人工降雪
该独特的冰河滑雪胜地开放一般始于九月份。影响该区域的主要因素为温升．部分融化的冰和缺失的自然雪可以通过人Ｔ造雪的方式来补偿。然而即便如此，多次的研究表明，人工造雪并不能阻止相关冰河区域的缩小。主要的例子有澳
大利亚的Ｍ６ｌｈａｌｅｒＧｈｔｓｃｈｅｒ／ＣａｒＩｎｔｈｉａ地区（海拔３１２０米）．ＲｅＲｅｎｂａｃｈｆｅｍｅｒ／Ｓ＊ｌｄｅｎ／Ｔｙｒｏｌ地区（海拔３０００米）以及ＳｔｕｈｉｅｒＧｌｅｌｓｃｈｅｒ／Ｔｙｍｌ地区（海拔２９００米）…－。
过使用较为昂贵的滑雪吊持设施，在该区域高地包括石头质的地域．尽最大町努力来改善雪道质量，该领域人工造雪影响的主要因素是经济成本，毕竟在高地人工造雪需要较为昂贵的造雪设施和劳动力支付成本。相关的例子有Ｈ０ｃｈｇＩｌｒｇｌ
（Ａｕｓ【ｒｉａ，海拔３０８０米）和Ｖａｌ
Ｔ｝－…（Ｆ啪ｃｅ．海
（５）部分低纬度各地人工造雪
泼区域人工造雪始于上个世纪９０年代末。该部分区域的独特性体现在低纬度的斜坡首先受温度升高影响．惊奇的是如此极限的低谷即使是常常能保持３个月左右的＾工造雪。典型的例子
拨３∞ｎ米）…
如澳大利亚的Ｔｙｒｏｌ咖Ｚｉｌｌｅａａｌ地区（最低海拔约
５６１米）“１。
此外，关于人工造雪还有两个方面需要阐述。一个是人工造雪强度。为了更好的利用低温条件，使得人工造雪产出率更高质量更好．可以通过增加用于造雪的雪枪的数量，较高的泵流量以及蓄水量来达到目的。另外一十就是额外的人工造雪的储备。该储备一方面可以在秋季较早开放的冰川游览胜地得以充分运用。另一方面，在正常的曲｝览胜地，考虑到一些季节性因素，有些冬季较暖．也可用来确保雪场能够持续较长的时间。
同时，考虑到人工造雪的可靠性及其成本，相关的经济性分析和雪场造雪可靠性分析还应进行深入研究从而提出合理的可行性策略，争取在经济可接受的条件下尽摄大的可能产出足够多的满足要求的人工造雪。
目４＾上造女场＊
Ｉｒｌｇ
４‰Ｍｆｏｒ¨ｑ—ｋ…Ｅ
４小结
本文对雪晶成因及其影响因素作了探讨，并对人工造雪的分布类型也作了初步的分析总结。人工造雪的分布类型还有许多可探讨的问题尚待研究，如人工造雪的技术可靠性与经济性的匹配
（３）较为集中的旅游胜地雪道人工降雪也就是说在滑雪胜地，所有的用于滑雪的平滑斜坡必须拿部用密实的人工雪橇盖处理好。在较大的滑雪胜地，每个滑雪吊椅至少有一个雪道。工作人员和游客都期望人工遣雪具有十足的技术
第６期
制冷技术
Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ
・５７・
模型分析等。相信在今后的研究中，人工造雪技
［６］宋玫峰．模拟环境中人工造雪技术的研究（硕士学位
术更加完善，为人类提供切实可靠的技术保障。
论文）［Ｄ］．上海理工大学，２００４．［７］Ｎａｋａｙａ
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雪晶成因及人工造雪分布类型探讨
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
林勇， Lin Yong
无锡商业职业技术学院电子工程系,无锡,214153低温与超导
CRYOGENICS AND SUPERCONDUCTIVITY2011,39(6)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dwycd201106013.aspx