雪を作るには、まず「雪を植える」必要があります。 「雪の種」はどのようにして「何もないところから」作られるのでしょうか?スノーキャノンはどうやってこれを実現するのでしょうか?

冬季オリンピックで人工降雪装置が導入され、より多くの人々が人工降雪機を知るようになりました。しかし、雪を作るにはまず「雪の種」を蒔く必要があります。 「スノーシード」はどこから来たのでしょうか？人工降雪機はどうやって雪を作るのでしょうか？

スノースポーツ（写真提供：new.qq.com）

人工降雪の「テンプレート」

自然の降雪はゆっくりとしたプロセスであり、その基礎となるのは結晶核（凝結核）上の水蒸気の凝結または昇華によって形成される小さな氷の結晶です。ここでの結晶核は、私たちがよく「雪の種」と呼ぶものです。それはほこりの粒であったり、花粉の粒であったりします...

小さな氷の結晶が大気中に浮遊すると、より多くの水の粒子が氷の結晶の上に凝縮し、ゆっくりと雪の結晶を形成します。天候が十分に寒い場合、雪片は重くなりながらゆっくりと地表に落ちていきます。もちろん、地面の温度が高ければ、降った雪は溶けてしまいます。

クリスタルコアがなかったらどうなるでしょうか？つまり、小さな氷の結晶は形成できず、小さな氷の結晶がなければ雪の結晶は形成されません。純粋な水滴は凝固点では凍結せず、温度が下がり続けると過冷却状態になることがわかります。

実際、純水の凍結（核生成）には、-40℃程度の低温が必要です。しかし、この過冷却状態は不安定です。小さな塵などの凝結核がきっかけになれば、マイナス40℃まで気温が下がらなくても水滴が小さな氷の結晶を形成します。

天然雪の形成（画像出典：参考文献[2]）

人工降雪機を使って雪を作る原理は、実は自然の雪の形成過程をシミュレートすることです。問題は、「雪の種」なしでどうやって「雪を育てる」かということです。

自分で作れる「雪の種」なんてありません！しかし、「雪の種」は何も無いところから生まれるのではなく、霧状の水滴が急速に凍ることで作られます。

「水が雪になる」原動力

エネルギーの観点から見ると、「水が雪になる」原動力は「冷たさ」です！

人工降雪機で雪を作るには、液体の水から雪の結晶への相変化プロセスが必要なので、それを完了するには液体の水から一定量の熱を取り除く必要があります。ここで言う熱には顕熱と潜熱の2つの部分が含まれます。

人工降雪機（CCTVニュースのスクリーンショット）

熱交換プロセスを 2 つのプロセスに簡略化できます。 1つ目は、液体の水の温度を0℃まで下げることです。液体の水1キログラムの温度が1℃下がるごとに、4.2キロジュールの熱を伝達する必要があります。 2つ目は、0℃の液体の水を0℃の氷の結晶に変換することです。液体の水1キログラムごとに、336キロジュールの潜熱を伝達する必要があります。

もちろん、水滴の過冷却と冷気の損失を考慮すると、実際にはさらに多くの熱を外に放出する必要があります。

問題は、この熱を伝達する責任は誰にあるかということです。熱を輸送する 2 つの主な力は、減圧と熱吸収による圧縮空気の膨張と、霧化された水の対流と蒸発です。

スノーキャノンはどうやって「雪の種」を作るのでしょうか？

降雪砲の噴射筒上部に分散配置された核生成器（核生成器）は、結晶核を急速に製造するための中核部品です。

一般的に、スノーキャノンはパイプで圧縮空気と高圧水に接続されています。圧縮空気が高圧水と混合され、核生成器のノズルから噴射されます。圧縮空気は水を素早く小さな液滴に霧化し、急速に冷却して小さな結晶核に凍結します。これは、スノーキャノンが「雪の種」を素早く作り、散布するプロセスです。

圧縮空気の瞬間膨張によって冷却効果が得られるのはなぜですか? 19 世紀半ば、有名な物理学者ジュールとトムソンは、特定のガスがスロットル バルブを通過すると、突然の圧力変化が発生し、ほとんどのガス (水素とヘリウムを除く) の温度が下がることを発見しました。これは有名なジュール・トムソン効果です。

スノーキャノン核兵器はこの効果を利用して「スノーシード」を作ります。この効果は、ガスの冷却や液化など、さまざまな分野で広く利用されています。私たちの生活の一部となっているエアコンや冷蔵庫も、その冷凍サイクルにこの効果を利用しています。

降雪砲の噴射筒上部の核装置ノズルの横には、高圧水を噴射する造雪ノズルが多数設置されている。高圧水はノズルによって霧化された後、空中に放出されます。

空気中のこれらの小さな水滴の表面の水分子の蒸発により大量の熱が奪われ、水滴自体が冷却されます。これらの冷却された水滴と結晶核の融合により、より多くの小さな氷の結晶が形成されます。小さな氷の結晶上の水滴の凍結と氷の結晶の結合により、氷の結晶が急速に成長し、最終的に地面に落ちる「雪片」が形成されます。

人工降雪には「適切なタイミング」は必要ないのでしょうか?

人工降雪機による造雪は機械式造雪の一種で、基本的には人工的な環境で行われます。人工降雪には「タイミング」が必要か？

実際、人工降雪機は自然の雪の形成過程を部分的にしかシミュレートしていません。結晶核から始まる屋外人工降雪の成長軌道は、大気環境の中で完結するといえる。したがって、人工降雪には「気象」条件の助けも必要です。

人工降雪には「寒くて乾燥した」気象条件が必要であると一般的に考えられています。ここでの「寒さ」とは、大気温度が低いことを指し、これにより人工雪の品質と生産量が向上します。ここでの「乾燥」とは、大気環境の相対湿度が低いことを指し、これは造雪微小環境における水滴表面の水分の蒸発を促し、冷却効果がより顕著になります。

想像してみてください。大気の相対湿度が 100% に達すると、それはもはや水蒸気を受け入れることができないことを意味します。そのため、造雪微小環境内の水滴表面の水は蒸発できなくなります。大気の温度が極端に低くない限り、水滴は冷却し続けることができず、雪の結晶の成長に影響を与えます。

湿球温度計（画像出典：[5]）

人工降雪の実施においては、「湿球温度」は重要な基準値の指標となります。湿球温度を測る場合は、通常の温度計の感温部を濡れたガーゼで包み、ガーゼの下端を水を入れた容器に浸します。これで湿球温度計になります。風通しの良い場所に置き、温度計の読みが湿球温度となります。これに基づいて、人工雪製造の適切な時間枠を選択し、人工雪製造の効率と品質を向上させることができます。

天然雪は人工雪よりも良いですか？

大気中の水蒸気から氷の結晶の形成、そして氷の結晶の成長と雪片の形成まで...天然の雪の成長の軌跡は、まさに大気環境要因に関する多くの情報を記録しています。天然の雪片は、ほとんどが枝や葉のような形をした六角形の氷の結晶です。軽くて柔らかいので、地面に落ちるとすぐに溶けてしまいます。

雪の結晶の形は温度と過飽和度によって変化します（画像ソースについては透かしをご覧ください）

人工雪は天然雪の形成過程を再現していますが、物理的な手段を用いるため、水滴が一瞬で凍り、急速に成長し、そのライフサイクルは大幅に短くなります。

人工雪は本質的には天然雪と同じですが、その形状は基本的に球状であり、枝状の六角形の氷結晶は存在しません。

顕微鏡で観察した天然雪と人工雪の違い（画像出典：https://newtoski.com/snowmachine-vs-natural-snow/）

しかし、一般的に、製造されたスキーコースが人工雪で作られたものか天然雪で作られたものかを見分けることは不可能です。人工雪と天然雪のどちらが良いかと言うと、スキーに使用する場合は人工雪の方が天然雪よりも良いです。

人工雪は天然雪よりも日光に強いです。天然の雪は水分含有量が多いため溶けやすく、直射日光に耐えられません。一方、人工雪は一般的に水分含有量が低いため、太陽の影響を受けにくいです。同じ気温条件下では、雪質の良い人工雪は天然雪に比べて5～6倍も溶けにくいです。

人工雪は小粒で粉雪のようです。球状の構造がよりコンパクトで高密度であるため、密度は天然の雪よりも高くなります。天然雪の密度は一般的に約328kg/立方メートルですが、人工雪の密度は856kg/立方メートルにもなります。人工雪は圧縮されやすく、圧縮後の雪面は硬くなり、摩擦が少なくなります。

人工雪は日光や高温でも溶けにくいため、雪の表面に少量の水を吹きかけるだけで新品同様の白さにすることができます。天然の雪は溶けやすいため、本来の白い色を保つことが難しいのです。

「科学技術冬季オリンピック」プロジェクトでは、人工雪機械の研究開発と応用実証に対して明確な要求を提示している。人工雪製造機とそのノズルおよび原子力装置は、さまざまな地理的条件や気候条件の下で、気温 0°C、湿度 50% で正常な雪の生成を達成するという目標を達成する必要があり、雪質は国際スキー連盟の基準を満たす必要があります。

参考文献

[1] 李静気象条件が人工雪活動に与える影響。気象科学技術の進歩、7(1)-2017。

[2] Encyclopædia Britannica, Inc.、Chen Yiquan訳。天気と気候（ブリタニック図解科学シリーズ）、中国農業出版社、2013年3月。

[3] 楊麗祥人工雪機の研究と分析、機械・電気製品開発とイノベーション、Vol. 23巻3号（2010年5月）。

[4] https://nsidc.org/cryosphere/snow/science/formation.html

[5]https://www.snowathome.com/pdf/wet_bulb_chart_celsius.pdf