人工造雪技术研究进展

2021-11-01陆丹旭郭嘉宇李润玲

黑龙江科学 2021年20期

关键词：造雪晶核小水滴

陆丹旭，郭嘉宇，李润玲

(河北建筑工程学院市政与环境工程系，河北张家口 075000；河北省水质工程与水资源综合利用重点实验室，河北张家口 075000)

人工造雪技术在欧洲、北美洲及澳洲已得到重要应用。人工造雪是减缓全球气候变暖对滑雪场影响的主要措施，对降低滑雪场在气候变化背景下的脆弱性和敏感性发挥了重要作用[1]。人工造雪技术是保证2022年北京张家口冬奥会顺利举办的必要条件[2]。

1 人造雪晶的原理

1.1 人造雪晶产生机理

人工造雪基本原理是由造雪机喷嘴喷出的小水滴在寒冷空气中发生冻结。小水滴雾化后通过喷嘴喷入周围的低温空气中，雾化后的小水滴自身发生蒸发现象的同时，与温度较低的空气交换热量，导致小水滴发生冻结并形成晶核，晶核再进一步对其他液滴进行吸附，进化成为拥有六角星型的雪晶。雪晶吸附水蒸气，生长成为雪花——具有分枝结构的单晶体及其聚合物。按照有无其他外界物质影响，晶核形成分为均相成核和异相成核两种成核形式[3-4]。异相成核，即有外界物质(如尘土、微晶粒等杂质颗粒)，这些杂质有助于晶核形成。匀相成核则纯粹是依托交换热量自发结晶[5]。实际情况中，如果气温高于-5℃，可以利用异相成核原理，向水里加入Ca2+、Mg2+或其他微粒[6]。液滴大小对形成晶核成败有着重要影响，如果液滴尺寸太小，可能被风吹散；液滴尺寸太大，那么在飘散到地面的过程中也较难形成晶核。一般理想的液滴尺寸区间为200～700 μm，即0.2～0.7 mm，这样的液滴在15 s内即可凝结[6]。

1.2 雪晶形成的基本条件

在自然界，使空气中的水汽发生结晶并形成雪花必须满足以下三个条件[7-8]：一是空气中的水汽达到饱和状态。当饱和的空气气温低于露点时，空气中就会有富余的水汽变为小水滴或冰晶，但由于冰面的饱和水汽含量比水面的饱和水汽含量低，满足冰晶生长条件的水汽饱和度比水滴的水汽饱和度更低，因此水滴在湿度大于或等于100%时才能产生，而冰晶往往在湿度小于100%的环境中也能产生，且气温越低，冰晶产生所需要的湿度越小，所以在高空温度较低的环境中，相对于水滴而言更容易产生冰晶。二是空气中必须有凝结核。凝结核是在空气中悬浮的固体颗粒物，且这些固体颗粒物体积微小，尤其是一些吸收水分能力较强的物质颗粒，如硫酸、氮等其他化学物质。宋玫峰等[9]发现，碘化银(AgI)微粒对雪晶的形成具有极好的促进作用。三是有必要的气温及水蒸气过饱和度条件。自然界中冰晶形状随着气温变化及水蒸气过饱和度的变化而产生多种种类。Weickmann等发现了自然界冰晶形状与气温也有一定的关系，如表1。

表1 冰晶形状及其温度范围Tab.1 Ice crystal shape and its temperature range

雪晶形状随气温、过饱和度的变化而变，如图1。可以发现，温度变化导致雪晶形状也随之变化。在温度逐渐降低的过程中，雪晶形状发生了3次改变。-4℃时，雪晶从板状变为棱柱状；-10℃时，雪晶从棱柱状变为板状；-22℃时，雪晶从板状变为棱柱状。随着过饱和度的增加，雪晶从六边形变成了其他形状，这种多变的形状大致可分为4类，即板状、棱柱状、枝状、针状[10]。

图1 雪晶形状随气温与过饱和度的变化关系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

在冬季早期典型的边际天气条件下，环境温度较高，人工造雪效率较低，水资源消耗较高，使用冰核提高人工造雪效率技术已经被广泛采用。冰核是促进液态水转变为固态水或冰晶的微粒，而冰核活性蛋白拥有能在-2℃～-5℃这样相对高的温度下形成质地细腻、外型规则的微小异质冰晶的能力[11]，具有冰核蛋白冰核活性的细菌在冰核蛋白作用下能使水分子按照一定顺序规则排列，形成质地细腻的冰晶核。目前，对于冰核蛋白的研究与应用主要集中在促冻杀虫、植物保护和作物抗寒育种、食品工业及人工降雪等领域[12]，以下是几种常见的人工冰核：

一是碘化银(AgI)。它是目前国内大规模使用的人工冰核，其利用火箭、高炮、飞机等设备作为载体运送到高空中，随后发生燃烧、扩散，同时生成气溶胶，将AgI冰核微粒利用这些载体运送到云层中，发挥催化作用，但是如果AgI播撒量过大，会导致其播撒点周围空气环境受到影响，所以绿色环保的生物冰核为人工冰核的研究方向。

二是生物冰核Snomax(商品名)，又称“造雪剂”(snow inducer)。主要用于滑雪场的人工造雪。Snomax是从丁香假单孢杆菌中提取的一类生物蛋白，该细菌蛋白在造雪过程中作为“晶核”，加速液态水转化冰晶，提高冰点，降低造雪过程能量损耗[13]。

2 人工造雪机的发展

近几十年来，美国开发了多种人工造雪机，基本原理是利用压缩空气将水进行细化，喷洒在处于气温非常低的空气中，实施人工造雪[7]。人工造雪技术不断发展，造雪机研究方向主要是增加人工雪产量，提高人造雪质量，减少不必要能耗，节省维护运行费用。

3 人工造雪机工作原理

人工造雪机正常运行时，成核剂器制造水和压缩空气充分混合并通过寒冷的大气环境形成雪核(晶核)。造雪用水在造雪机喷嘴处被雾化成微小水滴，它将与凝结核结合，在空中降落过程中发生冻结成雪晶[14]。现有的造雪机大致分为以下3种类型[15-16]：

一是压缩空气型造雪机。通过冷水与压缩空气混合形成小水滴，产生晶核，在这种类型的造雪机中，压缩空气主要起到了以下作用：将水进行雾化，通过扰动气流使水形成微小的、分散的水滴；将这些水滴散播到空气中，促进空气与水滴充分接触与混合；加速空气中散落的水滴冷却。被压缩后的空气膨胀是一种吸热过程，空气膨胀后从周围环境中吸取大量的热量，周围温度随之降低，促进水滴冷却。根据水与压缩空气不同的混合方式，压缩空气型造雪机分为内混合型系统及外混合型系统，区分两者的方法是水与压缩空气是在喷嘴内部混合还是外部混合。对于内混合型系统来说，水和压缩空气在喷嘴内部进行混合，而当混合物离开喷嘴，喷向空气中时，由于外界环境过冷，相对细小的水滴会凝固形成冰晶核，同时会聚合其他小水滴从而生长成为雪花。在外混合型系统中，压缩空气膨胀过冷来自水喷嘴产生的细小水滴，形成晶核，但是外混合型造雪机受风力影响较大，对环境温度、气水混合比、水温的要求较高[17]，这类造雪机一般安装在塔架上，缺点是永久安装不易移动，工作原理如图2。

图2 压缩空气外混合型造雪机Fig.2 Compressed-air external mixing snow making machine

二是风扇型造雪机。风扇型造雪机只是使用了简单的喷嘴，使水成为细小的小水滴，使用大功率风扇高速将小水滴吹出，使其悬浮在空气中，进而有足够的时间进行冷却和凝固。主要优点是不需要对空气进行压缩，只需提供水和电。但是由于没有压缩空气膨胀吸热，在应用条件上，环境温度需要比压缩空气型造雪机更低，工作原理如图3。

图3 风扇型造雪机Fig.3 Fan type snow machine

压缩空气型造雪机与风扇型造雪机的特点与区别见表2。

表2 不同种类造雪机的特点比较Tab.2 Comparison of characteristics of different types of snow making machines

三是碎冰型造雪机。其工作原理比较像刨冰机，将大体积冰块通过碎冰型造雪机打碎形成体积细小的冰颗粒，再通过风扇吹向空中。虽然碎冰型造雪机减小了对环境温度的依赖，但使用碎冰型造雪机之前需准备大量的冰块，而冰块储存需要大型冷库保温，冷库的设立提高了成本，占据空间，大量冰块运输、搬运非常不方便，如今除了一些游乐场及室内滑雪场正在使用，其他大型滑雪场已淘汰使用。