Искусственный снег

Влажность воздуха образуют водяные пары в атмосфере, и чаще всего мы выражаем ее отношением количества водяных паров в атмосфере к ее максимальной величине при данной температуре = относительная влажность [%].

Относительная влажность имеет в течение дня и года противоположное протекание, чем температура, так как при повышении температуры относительная влажность уменьшается и наоборот. Самая высокая относительная влажность у нас бывает в декабре и январе (85 – 100 %), самая низкая – в апреле, мае и июне (обычно 25 – 30 %). При понижающейся температуре молекулы воды замедляют свое движение и сцепляются в шестигранные ледяные кристаллы.

Кроме воды, в атмосфере встречаются летучие микрочастицы (частички пыли, пыльца, соли и т.п.). Эти примеси снижают в воде уровень свободной энергии, снижают потребность переохлаждения и делают возможной нуклеацию.

Пар или жидкая вода цепляется за ядра и вырастает ледяной кристалл. Таким образом из ледяных кристалликов образуются более крупные и более тяжелые снежные хлопья, которые падают на землю. В том случае, если снежные хлопья в туче подхватываются сильным возносящимся потоком и осаждаются вместе с другими каплями переохлажденной воды, они могут выпадать на землю в виде ледяных шариков – града. Снег со временем меняет свой цвет под влиянием структуральных изменений снежных зерен и загрязнения, в результате чего уменьшается его способность отражать солнечное излучение. Снежный покров затем в результате гравитации, воздействия солнечной энергии и рекристаллизации зерен подвержен изменениям, что проявляется в изменении плотности снега.

Плотность снега определяется отношением массы снега к его объему:

• свежевыпавший снег – 0,02 - 0,27 г. см3
• лежалый снег – 0,20-0,40 г. см3
• фирновый снег – 0,40-0,50 г. см3

Следующим важным фактором является водяная емкость снега, что является соотношением объема воды, возникшей в результате таяния снега, к его первоначальному объему. Она зависит от зернистости состава и вида снега и падает со временем выпадения снежного покрова:

• свежевыпавший снег – 0,30-0,50
• мелко- и среднезернистый снег – 0,25-0,35
• крупнозернистый снег – 0,15-0,25

Физика производства искусственного снега и его характеристики

От предыдущей главы мы плавно переходим к главе, посвященной производству искусственного снега, который образуется с помощью специализированных устройств, сконструированных для этой цели.

Речь, таким образом, не идет о производстве снега из синтетических материалов. Производство искусственного снега происходит путем распыления воды, подаваемой под высоким давлением, в воздухе. Образованию кристаллов снега способствует их нуклеация с помощью сжатого воздуха. Если мы создаем смесь воды, подаваемой под высоким давлением, и сжатого воздуха, которая распыляется в свободное пространство и охлаждается при расширении. Вода, содержащаяся в распыляемом воздухе, образует кристаллики льда = нуклеус (ядро). Величина ядра кристалла колеблется в пределах 0,1 – 10 микрон (1 микрон = одна тысячная миллиметра).

На ледяные кристаллики наслаиваются другие капельки воды и образуют более крупный кристалл, который растет на пути от снежного ружья до момента падения на землю.Только после этого кристалл полностью промерзает или же, другими словами, созревает. Вода при искусственном снегообразовании начинает менять свое состоянии при температуре около –3 –8 ºС. Присутствие нуклеатора в каждой капельке воды сильно повышает способность замерзания при любой температуре, пригодной для производства снега. Если в капельке воды встречается высокотемпературный нуклеатор, то водяная частица быстрее замерзает и имеет больше времени для дальнейшей кристаллизации во время полета по воздуху. А лучшая кристаллизация означает большее количество качественного снега с более низким содержанием воды. Это означает более короткое время для вымерзания (созревания) снега на трассе съезда.

Нуклеаторы = нуклеационные ядра, которые помогают процессу нуклеации, можно разделить на несколько групп:

• естественные или же нейтральные нуклеационные ядра (пыль, пыльца, зернышки песка, следы минералов или же металлов),
• механические нуклеаторы (смесь воды и воздуха – сжатый воздух из компрессора обеспечивает образование ядер из водяных частиц),
• биологические нуклеаторы (Сноумакс, который добавляется в воду на НС ).

Частицы, выходящие из снежного ружья, далеко не находятся в совершенном твердом состоянии. Благодаря ядрам кристаллов водяные капельки начинают замерзать. Маленькие капельки легче замерзают и даже леденеют, но они не очень стойки к дождю или теплу и быстро тают. У более крупных водяных капелек имеется большая правдоподобность, что они содержат ядро будущего кристалла. Поэтому более крупная капелька замерзнуть с большей вероятностью, чем капелька маленькая. Снег из круп-ных капелек воды является более долговечным. Однако крупные капельки во время по-лета не обязательно промерзнут в достаточной степени, поле падения под давлением они разрушаются, из них вытекает вода и образуются ледяные пластины.

Производство искусственного снега

Принцип производства искусственного снега можно описать в нескольких фазах:

• 1-я фаза - включает в себя образование водяных капелек в соплах снежного ружья размером от 100 микрон
• 2-я фаза - охлаждение в результате распространения смеси (вода-воздух) в свободном пространстве приводит к образованию зародышей кристаллов, что ведет к росту размера капли на 350-400 микрон
• 3-я фаза - происходит достижение окончательной величины капли 600-700 микрон под влиянием наслаивания других капелек воды, это является оптимальной величиной капли для замерзания с минимумом выпаривания и устранением относа ветром
• 4-я фаза - предполагает замерзание летящих частиц воды
• 5-я фаза - включает в себя укладывание снежных частиц на поверхность трассы съезда, продолжается кристаллизация и созревание снега

Размер выходящих капелек оказывает, таким образом, значительное влияние на образование снега, он определяется конструкцией сопла и давлением воды в снежном ружье. На снегообразование в значительной степени оказывает влияние и влажность воздуха, которая имеет влияние на передачу свободной энергии от водяных частиц в атмосферу. Величину, рассматривающую зависимость температуры воздуха и относительной влажности, обозначаем как мокрая температура. Она определяет, какой предельно возможно низкой температуры может достичь капелька воды в атмосфере в жидком состоянии.

Табл. 1. Соотношение температуры воздуха и его относительной влажности. Для производства снега определяющей является мокрая температура (по-английски wetbulb temperature», по - немецки «Feuchtkugeltemperatur»), принимающая во внимание обе величины.

Так какое же количество воды превратится в снег?

Теоретически можно сказать, что из 1 м3 воды изготавливается 1,5-3,5 м3 снега. На практике же при производстве технического снега следует считаться с выпариванием, сублимацией и сносом снега ветром. Фактический коэффициент пересчета количества поставленной воды на количество изготовленного снега по испытательным тестам колеблется в пределах значений 2,2-2,5.

Качество изготовленного снега определяет его способность противостоять климатическим влияниям, возможность легкой обработки и предоставление качественного катания на лыжах.

Наблюдается стремление к изготовлению искусственного снега из крупных влажных кристаллов – не слишком мокрых, но более влажных, чем натуральный снег. Натуральный снег в результате старения слеживается и уплотняется. Изготовленный снег должен соответствовать трехдневному натуральному снегу. Снег при производстве лучше ложится на склоне, сопротивляется сдуванию ветром и воздействию дождя, и из этих соображений его производство является более эффективным. Его качества улучшают после созревания путем обработки ратраком.

Качество искусственного снега можно определить с помощью простых фокусов:

• при сжимании снега в кулаке вытекает несколько капель (если ни одной капли – слишком сухой снег, вода вытекает – слишком мокрый снег,
• при ударе носком обуви образуются маленькие шарики, которые катятся (порошковый снег = слишком сухой, большие шарики = слишком мокрый),
• снег падает на рукав куртки, он должен быть жестким и удерживаться на материи (падает с рукава = слишком сухой, моментально тает = слишком мокрый).