出品：科普中国
制作：郝建盛（中国科学院地理科学与资源研究所）
监制：中国科学院计算机网络信息中心
冰雪运动正受到越来越多人的喜爱，而大家常去的滑雪场的雪道，基本都是由人造雪压制而成。不知道大家看到“雪炮”和“雪枪”哗哗哗喷雪的时候，有没有想过它们是如何造雪的呢？造出来的雪和自然降的雪有什么不同，落地后的它们状态又有什么差别？
正在工作的“雪炮”（图片来源：首钢滑雪大跳台场馆运行团队）
自然雪：水和微尘邂逅的结晶
要说人造雪，我们先看看自然雪。
自然界的雪是大气中的水汽凝华而来的固态降水，其结构随温度和湿度的变化而变化，多呈六角形。
那么，自然雪花是如何形成的呢？
在一定的温度条件下，空气中水汽的含量达到最大限度，水的不同相态（固、液、气）之间可以相互转化。当温度降低时，处于饱和的水汽出现过饱和现象，它们极易凝结在悬浮的微尘上，并形成冰晶。
之后，冰晶不断吸附周围水汽而变大，冰晶附近的水汽不断减少。这样，靠近冰晶处的水汽密度就低于离它远的地方，产生相对高的水汽压梯度。水汽就在梯度压力的推动下，从冰晶周围逐渐运移至冰晶所在处。运动的水汽分子首先遇到冰晶的各个角棱和凸出部分，并在这里凝华而成为冰晶的一部分。
就这样，冰晶的角棱不断增长，逐渐成为枝叉状。之后又因为同样的机理，在各个枝叉和角棱处长出新的小枝叉来，星状雪花逐渐形成。
星状雪花形成过程（图片来源：作者自制）
由于大气中冰晶的温度和湿度条件也不断变化，使得冰晶面上、边上和角上各种部分增长的速度不一致。如果水汽只在冰晶面上凝华，形成的是柱状雪花；如果水汽在冰晶边上和面上凝华，形成的是片状雪花；再如果冰晶面上、边上、角上都有水汽凝华，有尖角处位置突出，凝华增长得最快，多形成的是枝状或星状雪花。因此，由于大气的温度和湿度不断变化，雪花呈现千变万化的形态。形状、大小完全一样或完全对称的雪花，在自然界中是无法形成的。
典型的柱状、片状和星状雪花（图片来源：作者自制）
人造雪：被“催生”的冰晶
相对于自然雪花的千变万化，人造雪多为一个模子刻出来的。
常见的人造雪是把高压水泵中的高压水与空气压缩机中的高压空气在双进口喷嘴处混合喷出，高压空气再将水分割成微小颗粒，这些颗粒在寒冷的空气中会凝固成冰晶，进一步与水汽接触，让晶体生长。
由于没有充裕的时间和空间让冰晶发育和生长，人造雪多呈现白色、不透明的近似球状或圆锥形，很难形成星状和多枝状的形态。狭义上这种人造雪属于霰（读作xian,四声；亦称为雪丸，直径一般在0.3到2.5毫米之间，产生于大气强对流的情况下和扰动强烈的云中），不属于雪的类别。
类似霰的人造雪（图片来源：作者自制）
另一种人造雪则是通过制冰装置，将水制成片冰，再通过碎冰装置把片冰粉碎成粉末，最后把粉末状的冰晶通过空气输送系统送出。
2022年1月16日，云顶滑雪公园正进行造雪工作（图片来源：人民视觉，胡旺摄）
相对于自然雪复杂而又漫长的生育过程，人造雪就像被“催生”的，但无论是人造积雪还是天然积雪，其实都是水的固相形态。冬季的积雪是大地的固态水库，能够在春暖花开之际消融而哺育万物，而人造雪是冬季“固态水库”的一个补充。在降雪少的年份，适量的人造雪有助于减少春季旱情，有利生灵。
因此，如果认为人造雪浪费水资源，影响生态环境和用水安全，其实是杞人忧天了。
哺育万物的固态水库——积雪（图片来源：作者自制）
雪花飘落堆积在地后会发生变化吗？
自然雪花降落后，雪花之间的相互挤压、风的吹蚀、阳光的照射会磨掉它们的枝角，雪花破碎成细小冰晶，在低温环境下经过等温变质作用，最终成为直径小于0.5mm的、近似圆形的圆化雪晶体。
随着积雪厚度增加，雪场内部温度呈现明显的梯度变化，加上昼夜温度差异，导致积雪温度梯度方向改变。温度梯度驱动雪中的自由水汽运移，时而向上，时而向下。
在运移过程中，水汽会粘附在圆化雪晶体上，使其变化成形状各异的、直径范围在1-3mm的多面体雪晶体，相邻的多面体雪晶体也会被游离的水汽烧结在一起，犹如电焊把铁板焊接在一起一样，最终形成多面体雪晶体链。
多面体雪晶体链（图片来源：作者自制）
接着，由于一定厚度积雪的保温作用，积雪底部温度趋于恒定，并一直高于积雪表层温度，温度梯度方向呈现稳定态势，水汽运移方向随之统一。水汽不断向同一方向粘附在多面体雪晶体上，雪晶体颗粒因此逐渐变大，并形成有迷宫状、玛瑙状、金字塔状和钻石状等各种规则形状的雪晶体。
深霜雪晶体（图片来源：作者自制）
由于雪粒沉降时间不同，雪晶体的发育程度不同，雪晶体的颗粒和大小也就形成了明显的差异。因此雪剖面轮廓呈现明显的层理结构，从上到下为圆化雪晶体、多面雪晶体、深霜。
一个理想化的自然雪粒从初始落地，到消融前的发育变质过程为：雪晶体沉降——等温变质作用下雪晶体圆化——梯温变质作用下雪晶体多面体化。同一空间下，由于积雪中不同雪层雪晶体落地时间、所受压力、温度梯度等差异较大，不同雪晶体的发育程度也不同，晶体类型差异明显。
隆冬时期积雪剖面各层雪晶体类型（图片来源：作者自制）
那么，自然雪和人造雪各自形成的积雪，有什么不同之处呢？
由于自然雪花为扁平状，落地后相互交织在一起，因此积雪孔隙率高、密度低（自然新雪的密度在0.05到0.15克每立方厘米）、硬度低，还非常松软；而人造雪为近似球状或圆锥形的密实晶体，形成的积雪孔隙率低、密度高（人造雪的密度高于0.5克每立方厘米），硬度和强度等力学性能远高于自然积雪。
另外，相对于自然积雪，人造雪的晶体类型单一，同一个雪场下分层不明显，晶体发育变质缓慢，难以形成多面体雪晶体和深霜等雪晶体，性状单一且稳定。
当我们在享受冰雪运动乐趣的时候，不妨在保证安全的前提下，近距离触摸一下人造雪，科技就在你我身边。
参考文献：
- Libbrecht, K. The snowflake[M]. Voyageur Press, 2003.
- 单淑华.霰和米雪的区别[J].气象,1990(12):50-51.
- Marbouty D. An experimental study of temperature-gradient metamorphism[J]. Journal of Glaciology, 1980, 26(94): 303-312.
- Simpkins G. Snow-related water woes[J]. Nature Climate Change, 2018, 8(11): 945-945.
