雪是怎樣形成的(雪是怎樣形成的物理)

2019年，有網友在社交平臺上發布過一段視頻：一小捧白色的粉末，在把清水淋上去的時候，粉末迅速膨脹，形成了酷似雪的白色絮狀物。

巧的是，今年我國舉辦的第24屆冬奧會首次實現了用雪自由，所依賴的就是大量人造雪。中國的人造雪起步晚，經驗少，一度曾被外國封鎖技術，只能靠租借、購買外國的造雪機，吃盡了金錢上的苦頭。

但是，既然人工造雪看起來那么“簡單”，人在家里自己也可以做，為什么中國還需要花5年時間研究？人工造雪背后究竟還有何奧秘？

其實，咱們上圖看到的白色絮狀物并不是雪，而是一種名叫聚丙烯酸鈉的化學物質。它的吸水能力很強，吸水之后會膨脹，變成了形似雪的產物，這種材料更多時候是用在攝影棚裝飾拍照用，也有商家將其做成兒童玩具。

這樣的“雪”不會融化，而是要在350℃的高溫下才能降解，不具有真雪的特性，自然也不能用在競技項目當中。

冬奧會需要的是真正的雪，也就是水蒸氣冷卻、凝華所形成的產物。延慶賽區作為本次最主要的滑雪賽場，每年的平均降雪量卻只有21厘米，而且隨著氣候變暖最近幾年的冬天下雪越來越少，因此要在這里建設滑雪中心，肯定需要大量的人造雪。

延慶賽區的滑雪賽道

我們都見過雪花，它停留在指尖上，呈現出六角對稱的圖案，在光線的照射下熠熠發光，十分美麗，但這樣規整的形狀，正印證著它形成過程的苛刻。

雪的形成有三個必要的條件：飽和的水汽、凝結晶核、適合的環境溫度。

在一定的氣壓下，空氣中水蒸氣的濃度是固定的，就像制作一杯鹽水中只能溶解一定質量的鹽。于是，當空氣中水蒸氣的濃度到達了這個臨界值，就變成了“飽和”的狀態，就不會再增加了。

這時候，如果氣溫比較低，空氣中多余的水汽就會直接變成水滴甚至冰晶。接著，空氣中吸水的固體微粒會吸引這些冰晶，使其凝聚在一起，逐漸成為肉眼可見的較大冰晶。

六角對稱的雪晶

至于為何會形成六角的形狀，是由于冰晶本身就是六方晶體系，具有這樣的自然習性，水蒸氣在凝華的時候也固定順著六個頂角“沖”去。有的時候，凝華的速度過快，水汽來不及向前推進，頂角上就會出現一些額外的突出物和分支，變成了我們所看到的美麗的雪花。

但由于自然條件的復雜性，頂角們所接觸到的水汽供應也有差異，水汽含量豐富的頂角，發育得更快；水汽含量缺乏的頂角，就幾乎不會發育。最后，雪花的形狀也變得千姿百態，也有說法說，世界上根本找不出兩朵完全相同的雪花。

不對稱的雪花

自然界造出來的雪都還有那么多“歪瓜裂棗”，我們的人工造雪自然就更難了。人工造雪需要契合滑雪運動的需求，對于雪的要求只會比天然雪更苛刻：

雪花不能太大，否則會形成石頭一樣硬的雪塊，絆倒滑雪者的步伐；雪花也不能太細小，這樣會導致雪堆過于松軟，容易讓人陷進去拔不出來。

所以，人工造雪需要在水蒸氣、氣候和晶核之間找到一個平衡，才能造出顆粒大小適宜的雪，這個前所未有的挑戰，在過去的很多年中都難住了中國人。

知道了天然雪的形成過程，人造雪自然也是要從這個過程來入手。而人造雪又可以分為兩種，一種是人工降雪，一種是人工造雪。

人工降雪選擇把碘化銀微粒撒在云層里，這樣一來微粒就會吸取云層中本來存在的水滴和冰晶，形成雪花。

但人工降雪必須要有條件適宜的氣候和云朵，顯然不能適應冬奧會的大量需求，所以，我們主要還是采用后者的人工造雪。

人工造雪不再能依賴云層，連水的來源也得自己找，北京冬奧會為了造雪預計會使用39萬噸的水，為此需要向現有水庫中調水、從高山上引水，必要時候還需要抽取地下水。

有了水之后，還要用機器將它打碎成極為微細的顆粒，加快蒸發的速度，使得空氣盡快到達“水蒸氣飽和”狀態。

解決了水的問題，接下來則是雪花“晶核”的問題。好在北方的氣候干燥，空氣中本來就存在很多晶核微粒。如果不夠，則需要在噴灑的水滴中添加成核劑，使得噴出去的水在空氣中自然與晶核接觸，落下來之前就變成了雪。

最后，延慶冬季提供了寒冷的天氣，最幸運的是，張家口賽區還曾經在2021年11月迎來了30公分的降雪，這些雪在當時被儲存了下來，作為了現在人造雪的基底，實現了資源的高效利用。現在，10臺造雪機開足馬力運轉，只需20天便可以造出350000立方米的雪。

國家高山滑雪中心，造雪機正在進行造雪

為了達成這些目標，國家從2017年開始就在著手準備，中科院和很多研究機構組成了開發團隊。科研人員們在零下20℃的氣候條件下奮戰一線，召開設計會議、實地實驗、反復改造造雪機和成核劑、對地面灌水結冰……

5年后的2022年，也就是冬奧會如約開展的今年，中國經過鮮為人知的努力，在所有的比賽場館都覆蓋了高質量的人造雪。不僅如此，組委會還根據不同比賽項目的需求，超規模制造出了9種不同型號的雪。如此一來，各國的運動健兒們能在賽道上發揮出最好的水準，維護了競技的公平性。

“我第一次來到這里（延慶賽區）的時候還是2014年，那時候這邊幾乎什么都沒有，但是現在我每天從山上往下看，都能看到皚皚白雪以及各種美景。”在2月5日舉行的媒體吹風會上，國際雪聯高山滑雪委員會主席、連續為九屆冬奧會設計高山滑雪項目賽道的伯恩哈德·魯西如是說。

最后，北京冬奧會的人造雪還充分考慮到了環保的問題，原本總計劃用水的39萬噸，現在只用了36萬噸；

并且，人工造雪符合高山的水源循環系統，這個系統包含兩個水塘，作用分別是收集降雨和收集融水。在賽道使用完畢之后，這些水將通過天然溝道流回海拔900米的塘壩內，用于澆灌下游農業和綠化，堪稱可持續利用的典范。

現在，各類的冰上、雪上競賽依然在北京三大賽區如火如荼進行著，我們在享受火熱的比賽氛圍的同時，也不要忘了在背后默默付出的科研人員。沒有上場的他們，又何嘗不是這次冬奧會的英雄人物呢？