撰文 七君
冬奥会是这两天的头条。冬奥会好看，开幕式上的雪花也很好看。但是有一个问题大家可能并不清楚，今年冬奥会的雪花并不是开幕式上的六边形的，而是圆形的。
2022年北京冬奥会开幕式。图片来源：wikipedia
这个问题要从全球变暖说起。
由于气候变暖，现在冬奥会以及冰雪赛事上的天然雪花是越来越少见了。根据欧洲环境署（EEA），20世纪70年代以来北半球的雪季减少了5天。
因为普遍缺“雪”，在2009-2010年，美国全国滑雪场联盟（National Ski Areas Association）旗下88%的滑雪场都使用了人造雪。而都灵冬奥会、温哥华冬奥会、索契冬奥会以及平昌冬奥会都大量使用人工造雪。比如在2018年平昌冬奥会上，人造雪占了总使用雪量的90%。
2022年北京冬奥会冬季两项现场。图片来源：wikimedia
这届北京冬奥会也是人造雪含量最高的一届，因为本届的雪花几乎全是人造的。在延庆赛区、张家口赛区以及首钢滑雪大跳台，使用的都是人工造雪。
那么，天然雪花和人造雪有什么不同呢？
从原理上来说，两者并没有差异。天然雪和人造雪都是冰冰，也就是水分子形成的晶体。
冰冰都需要晶核才能形成。晶核相当于雪花的奇点，冰冰自己、灰尘等许多材料都可以成为晶核。
如果没有杂质，纯净水要到零下39摄氏度才会结冰，这种依靠极低温（或高压）的结冰过程也叫做均匀形核（homogeneous nucleation），此时的晶核是自己人中出的叛徒——一些首先变成固体的水分子。
而在零下39摄氏度和冰点之间的纯净水会保持过冷（supercool）的状态，也就是低于冰点还不结冰的水。
过冷水在遇到扰动或晶核时会迅速结冰。
对于天然雪来说，晶核不是冻住的水分子，而是某些细小的尘埃。水蒸气依附在尘埃上凝华变成固体，从而变成小冰冰。为了和上文对称所以不得不说，这种依靠外来物充当晶核的结冰过程叫做非均匀形核（heterogeneous nucleatio）。
在随重力飘落的过程中，这片小冰冰会遇到更多的水蒸气，逐渐长开，成为肉眼可见的大冰冰，也就是雪花。
大多数人印象中的雪花就像开幕式上的那样是六边形的，但实际上天然雪花有很多形态，比如今年1月河南就出现过针状“味精雪”。
雪花形态和温度以及空气湿度存在下图的关系。
不同温度（横坐标）和过饱和度（超过相对湿度为100%的空气的程度）下的雪花形态，在某些情况下天然雪花是味精状的。图片来源：Kenneth Libbrecht
不过，人造雪既不是六边形，也不是柱形的，而是球形的。
美国国家航空航天局（NASA）的科学家 Peter Wasilewsk 曾经研究过天然雪和人造雪的差别。这是他拍摄的照片——
图片来源：USDA
你可以看到，左边的是带有一些人造雪的天然雪，右边是人造雪，人造雪显然是圆球状的。
人造雪形态的发现也是个意外。Wasilewsk 说，在20世纪90年代，美国农业部在研究天然雪和人造雪的差别时，偶然用显微镜发现了它们的形态差异。
电子显微镜下的雪花。图片来源：pixabay
那么，为什么人造雪是球形的呢？这和人造雪的形成过程以及晶核成分有关。
Wasilewski 研究了雪花二十来年，他解释道，天然雪花的晶核是灰尘，而且它们并不会加速凝华，而是在自然下落的过程中慢慢凝华，根据每粒雪花掉落时路径的温度和湿度差异，它们会长出不同形状的“花瓣”；但人造雪的晶核是水滴形成的冰晶，而且结晶过程非常快，这两点使得人造雪和天然雪的形态有显著不同。
1951年国际冰冻圈科学协会（the International Association of Cryospheric Sciences）对雪花形态的分类，图片来源：Vincent J. Schaefer
人造雪和天然雪的形态差异有着重要的物理意义，那就是天然雪更松软，但也更容易坍塌，而人造雪更为紧实。造雪机的人造雪密度是每立方米450千克， 天然雪是每立方米250千克。实际上，高密度的人造雪比较适合障碍滑雪。
障碍滑雪需要紧实的雪，因此人造雪更优。
说到这里你肯定想知道人造雪是怎么造出来的了。
不管是什么样的造雪机，人造雪的制造过程可以被压缩成一句话：首先用水滴制造微小的冰晶，它们就是晶核，接着向外喷射晶核，让水雾和晶核接触，形成雪花。
造雪机（图1）利用压缩空气和水吹出冰质的晶核（图3），晶核遇到另一波水雾形成雪花（图4）。图片来源：TechnoAlpin
造雪原理说起来很简单，但全世界能制造造雪机的公司寥寥可数。根据《经济学人》2017年的一项报道，目前全球造雪机市场被几家欧美公司主导，它们分别是天冰（TechnoAlpin）、迪马克（Demaclenko）和苏法格（SUFAG）。
大家可能对其中一个名字感到面熟，这次北京冬奥会的人造雪都是用天冰家的机器造的。天冰的亚洲区经理 Michael Mayr 表示：“我们是北京2022冬奥会造雪系统的唯一供应商。”
造雪机造雪。图片来源：TechnoAlpin
这些公司之所以能垄断造雪机市场，是因为它们掌握着造雪机的核心技术——核子器。
核子器喷出来的是晶核和压缩空气的混合物，它也是造雪机的关键。图片来源：见水印
在造雪机中，用水制造晶核的部件叫做核子器，核子器是造雪机的关键技术瓶颈之一。
这是因为，要成为晶核的话，水滴必须小到30-70微米的量级，差不多和头发丝一样细，这种精密度就是核子器的技术难点。
这个过程是依靠核子器内的高压气体实现的。高压气体能把水滴打小。同时依靠理想气体状态方程，高压气体在膨胀时还可以给水滴降温，使其变成冰晶。而能完成这些操作的高压气体的压强约是大气压的7倍，液压则是大气压的一百多倍。
根据理想气体状态方程，气体体积增大时温度降低，反之温度增高。高压气体喷出时体积迅速增加，从而能为水滴降温。图片来源：chemistrygod.com
这也是为什么在本届冬奥会上，我国自主研发的卡宾雪麒麟 M2 造雪机被当作重大技术突破被放置在了科技冬奥馆的中央。
造雪机造雪。图片来源：TechnoAlpin
所以从某种意义上来说，人造雪比天然雪更珍贵。
造雪机每制造1立方米的雪需要0.6-2 千瓦·时的能量，差不多等同于一台家用空调开一小时的耗能。在美国的滑雪场，造雪的能耗占到了总成本的一半。
斯图拜阿尔卑斯山脉用于人造雪的储水。图片来源：wikipedia
人造雪的原材料——水也是一个大问题。根据《环球时报》2月8日的报道，这次冬奥会总计划用水39万吨，好在人造雪部分来自地表径流和雨水，以及融雪的再利用。
总之，冬奥会不仅展示了人类优质体魄的天花板，也是尖端科技的舞台，值得敬佩的不仅有运动员，还有他们脚下的粒粒雪花。
假冰冰一片冰心，真冰冰心如死灰。
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