雪晶形成过程与人工造雪机技术
1 前言
大气固态降水是多种多样的,雪是其中一种最广泛、最普遍、最主要的形式。在建立特殊环境方面,人工降雪的概念有两种含义,一是在为了满足地域缺水、减少植物病虫害在大范围的自然环境中进行人工降雪。二是在相对较小的环境中实现人工造雪,如保证冬季滑雪运动项目的顺利进行;在人工环境室中建立带有降雪的气候条件,进行产品品质检验,拓宽产品的应用地域范围;为了营造商业环境气氛,以及建立电影雪景或下雪环境。目前,人工造雪机已经是冬季滑雪场保证营运所必不可少的装备之一。可以说人工降(造)雪已经是为工业等生产和人民生活营造人工环境的重要手段。
造雪机是人工造雪的主要设备,其研究与发展的历史已经有很长的时间了。它是利用自然环境所具备的低温条件,采用向环境中喷洒过冷的细小水滴来产生晶核,促使大水滴和环境中的水蒸汽在其上继续结晶,并形成下雪的。实现下雪是否成功取决于多种因素。本文试图从介绍自然界降雪过程出发,明确雪晶形成的基本条件和实现方法,进而介绍人工造雪机技术的发展状况,以增加对该技术的全面了解。
2 自然降雪的过程和基本条件
2.1 自然雪晶的形成过程
雪是大气中以晶态存在的水。大气中聚集的细小水滴,经过冷空气冷却形成过冷,空气中的水汽呈现过饱和状态,水就可以凝结从汽态变成液态,或直接凝华变成固体冰晶。在低温环境作用下,过冷的微小水滴可以形成细小的冰晶核,且大气中存在的气溶胶颗粒也会形成晶核。随着水蒸气在晶核上的继续成长,低温环境促成了各种各样雪晶的形成,并通过冰晶融合积聚作用,使雪晶继续长大成为雪晶的聚集体,当这种聚合体的重量超过空气的浮力后就会形成自然的降雪。
在雪晶形成过程中,同样存在均相成核和异相成核的机理。雪晶的成核过程主要由热力学条件决定,而冰晶的成长过程主要由动力学条件决定。从成核形成的温度来看,异相成核所需要的温度要比均相成核温度要高,故异相成核容易实现。外来杂质起到催化作用,它增强了能形成临界尺寸聚集体的可能性。由于大气中存在气溶胶颗粒,所以异相成核相对对晶核的发育影响较大。利用电子显微镜观察雪花中心的核时曾发现,某些核是由土壤、岩石微粒、烟粒、有机物、细菌等组成,这些质点属于不可溶性核[1]。所以,在人工降雪过程中,现在常用碘化银,碘化银的晶体与雪晶的六角形单体尺寸非常相似,它们单体里的原子排列也十分近似,两者的晶格间距也很接近(碘化银是4.28埃,雪晶是4.52埃)。因此,把碘化银微粒撒在降水能力较差的云层里,可以促成云中的水汽和小水滴在它的晶体上凝华结晶,变成雪花。
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