暑い夏でもスキーが楽しめます。「雪の自由」をどうやって実現するのでしょうか?

スポーツとしてのスキーは北ヨーロッパで生まれました。中国のスキー産業は1996年に始まりました。近年、国民経済の成長に伴い、人々の生活水準はますます向上しています。同時に、北京冬季オリンピックの影響で、スキーに対する大衆の熱意が急激に高まり、南方の氷と雪への欲求も高まった。国家体育総局冬季スポーツ管理センターは「雪を北から南へ」という戦略的発展目標を掲げ、わが国のスキー産業はますます大きくなっています。

多くの人にとって、スキーとは単なる標準的な冬のスポーツです。しかし近年では、北部の屋外スキー場に加え、全国に40か所近くの全天候型屋内スキー場が建設されている[1] 。季節を問わず、暑い夏でも氷や雪がもたらす情熱と喜びを楽しむことができます。

温室効果と地球温暖化の継続的な蓄積により、冬時間の影響が直接的に現れ、自然降雪時間の減少につながります。

世界のスキー産業に関して言えば、人工造雪への依存は高まっています。上記の屋内スキー場の雪面はすべて人工造雪によって造られています。では、雪がどのように形成されるかご存知ですか?どうすれば雪が作れるのでしょうか？

国内屋内スキー場プロジェクトの完成予想図

天然の雪はどうやって形成されるのでしょうか?

雪は水の固体であり、降雪も降水の一種とみなすことができます。雲の中の温度が0℃以下になると、大気中の水蒸気が氷の結晶を形成します。たくさんの小さな氷の結晶が衝突して凝縮し、大きな氷の結晶になります。温度が変わらないか下がると、氷の結晶は成長し続けます。氷の結晶が自身の重さによって空気抵抗に打ち勝ち、雲の下の周囲の温度が氷点下になると、白い氷の結晶が地面に落ちて雪になります。

自然の雪の形成過程

自然の降雪に必要な条件は何ですか?

▶ 1. 水蒸気飽和度

ある温度で空気が含むことができる水蒸気の最大量を飽和水蒸気と呼びます。空気が飽和状態に達する温度を露点と呼びます。飽和した空気が露点以下の温度まで冷えると、空気中の余分な水蒸気が水滴または氷の結晶に変わります。

▶ 2.凝縮核

凝結核は空気中に浮遊する非常に小さな固体粒子です。最も理想的な凝縮核は、海塩、硫酸、窒素、その他の化学物質の粒子など、水を最も吸収する物質の粒子です。

▶ 3. 低温環境

自然の雪降雪雪景色

1996年、私の国は第3回アジア冬季競技大会を成功裏に開催しました。当時のスキー場の雪は、降雪地から競技会場まで運ばれ、選手が競技できるようスキー場に敷き詰められていたとみられる。しかし、科学技術の発展により、スノースポーツは天候に左右されることなく、人工造雪技術によってすべて実現できるようになりました。

2022年北京冬季オリンピックは成功裏に開催され、素晴らしく、並外れた、傑出した氷と雪の競技を世界に披露しました。北京冬季オリンピックには合計15のサブイベントがあり、アルペンスキー、クロスカントリースキー、フリースタイルスキー、ノルディックスキー、スキージャンプ、スノーボードなど約7つの競技を雪上で行う必要があり、冬季オリンピックで使用される雪はすべて人工雪です。

中でも、国立アルペンスキーセンタープロジェクトは「冬季オリンピックの最高傑作」として知られています。会場には競技用スキー場が3面、練習用スキー場が4面、その他競技補助スキー場があります。スキー場の全長は約23.1km、最大標高差は約925mです。このプロジェクトの造雪ニーズを満たすために、合計約 170 台の人工造雪装置が使用されます。

競技コースのスタート地点は標高2,179メートル、コース長は約3,045メートル、平均勾配は30％、最大勾配は68％です。尾根沿いにずっと続いており、スタート地点からゴール地点までの標高差は約900メートルで、国内スキー場の最高標高記録を樹立しています。

国立アルペンスキーセンター

人工雪はどのように作られるのでしょうか？

人工降雪技術は1950年代に発明されました。その原理と技術的ルートは、自然の雪の形成プロセスを人工的に模倣して作成し、技術的な手段を通じて雪の結晶の形成と成長のための条件を作り出すことです。人工降雪システムはコンプレッサーを使用して圧縮空気を生成し、原子力発電機のノズルに水を送ります。ノズルの後ろの容積収縮により熱が奪われ、霧の液滴が氷の結晶に凝縮され、空気中に浮遊して冷却され固まります。氷の結晶は、空気中の低温環境に遭遇すると雪片を形成します。

人工雪製造設備の人工雪製造状況

人工雪の製造工程

人工降雪システムで最も重要な部品は核ノズルです。原子力ノズルは人工雪製造の鍵となる。それがなければ、生成されるのは水だけです。核生成ノズルは、内部の混合室を通して圧縮空気を混合します。液体とガスは混合プロセス中に小さな泡を形成します。混合物の中で、小さな泡が膨張し、液体が破裂し、ガスが膨張して出口温度が低下し、出口で薄片、帯状片、小さな液滴が形成され、それによって霧化が達成され、冷たい環境で氷結晶の雪の核が形成されます。

人工降雪システム原理の模式図 [2]

核兵器ノズル装置の構造模式図[2]

4℃でも雪は降りますか？

環境条件は、水滴が凍結して降雪になるかどうかに直接影響します。同じ温度と湿度であれば、水滴のサイズが小さいほど凍結しやすくなります。比較的高い周囲温度で降雪を望む場合、水滴のサイズを可能な限り小さくする必要があります。周囲の温度と相対湿度が低下すると、人工降雪に使用できる最大水滴直径が増加します。周囲温度が4℃、相対湿度が20％の場合、液滴径が100μmのときに完全凍結相転移が起こり、他の径の液滴は氷と水の混合状態になります。周囲温度が-4℃まで下がると、完全な凍結相転移を起こす液滴の直径は200μmまで増加する[2]。そのため、気温が4℃でも雪が降る可能性があります。

臨界降雪粒子サイズマップ [2]

科学技術の継続的な発展により人々の生活水準がますます高まるにつれ、暑い夏に氷や雪がもたらす情熱を楽しむことができるようになりました。

しかし、人工雪は天然雪とは異なります。

まず、形が違います。天然の雪は、主に六角形、星形、薄片状などであり、地面に落ちた後、互いに絡み合います。多孔性が高く、柔らかいです。人工雪は球状または円錐状の結晶に似ており、積もった雪は多孔性が低く、密度と硬度が良好です。

第二に、天然雪の密度は比較的低く、一般的に約250kg/m3です。一方、人工雪の密度は比較的高く、一般的に300kg/m3以上です。競技に必要な積雪面を確保するため、国立アルペンスキーセンターなどの屋外スキー場では、600kg/m3近くの人工雪密度が求められます。

夏休みが近づいてきました。旅行の計画がある場合は、旅行中に屋内の氷や雪の会場を探してみるのもいいでしょう。暑い屋外から氷雪会場の扉を押し開け、一瞬にして氷点下の氷雪環境に入り、スキーを楽しむような感覚を味わえます。皆様に違った新鮮さを感じて頂けると信じております。

もちろん、氷と雪の会場がすぐ近くにある可能性もあります。

参考文献:

1. 中国スキー産業発展報告書社会科学学術出版

2. 劉斌胡恒祥;ビ・リセン; et.al「2つのノズルの配置が人工雪噴霧場の形態、速度、および粒度分布に与える影響」、流体物理学35、053326（1〜14）。

終わり

著者：李坤、シニアエンジニア、華商国際工程有限公司機械電気設計研究所副所長、氷雪特殊冷凍部門副所長（北京科学技術協会2020-2022年若手人材支援プロジェクトに選出）