科学仪器助力冬奥会 保证高山滑雪赛道质量
- 2022/1/25 14:10:42 14835
- 来源：化工仪器网
【仪表网 仪表产业】导读： “冬奥会皇冠上的明珠”指的就是高山滑雪，这项比赛项目有着极强的速度感、竞技性与观赏性。高山滑雪赛道大部分采用的是冰状雪赛道，冰状雪指的是滑雪场的一种雪质形态，冰状雪的状态下雪花的密度基本保持在0.65g/cm³，在雪表面有一层薄薄的硬冰壳，能够用来减小赛道表面和滑雪板之间的摩擦力，使赛道不宜被破坏，运动员即便是在高速转弯的情况下，雪道依旧能保持表面不变形。
冰状雪赛道的制作并不简单，将雪道翻开，并把雪块破碎成40厘米左右的疏松层之后才能用水泡往里面注水，一边注水的同时还要反复去将湿雪搅拌均匀，以确保赛道内的雪层厚度保持一致并且没有大气泡时能够迅速将其亚平。再经过一段时间的低温板结和下沉，雪道内就会由下而上的在最上层形成硬冰壳。
冰状雪赛道既然如此高难度且困难的制造步骤，那么怎样才能判断滑雪赛道是否合格？以往来说，通常是采用人工判断的方法，让一些有经验的裁判员利用探针安装在电钻上进行一些触探工作，通过触探工作反馈的手感从而判断冰状雪赛道的建造质量，全凭经验作出判断的这种“直觉”性检测往往会使结果几乎不具有任何科学性，同时也无法保证运动员的人身安全。
新型冰状雪测量仪器为赛道增添合格“证书”
中国科学院南京天文光学技术研究所南极团队和中国气象科学研究院为了助力2022年的北京冬奥会，共同合作研发了能够用于判断冰状雪赛道质量的冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪。团队充分考虑了不同于自然雪的人工造雪的特殊情况，并结合了冰状雪赛道的特点，将冰状雪质量的人工主观判断，变成了客观、清晰的科学指标，为冰状雪赛道制作标准的透明化提供了参考依据。
积雪颗粒的形状及大小是影响雪的力学性质的主要因素，不同大小雪粒之间在自然状态下空隙不断变小，雪中含有的空气降低，使得雪粒间的化学键合力增强，从而影响雪的硬度。科研人员采用了漫散射原理来测量积雪的颗粒：近红外光经过粗糙的表面会被无规律的向各个方向反射，会造成光强度减弱，光减弱的大小跟表面的粗糙相关，而积雪表面的粗糙程度是由粒径决定的。通过测量光减弱的比例，间接地测量出积雪的颗粒大小。
雪的硬度测试是反映冰雪强度的重要指标之一，冰雪硬度测量仪的原理是通过电机带动滑轨驱动探头打入冰状雪赛道内部，并通过读取探头所收到的反作用力的大小，从而判断冰雪的硬度条件。冰雪硬度测量仪能够做到基本无损地对赛道进行冰雪硬度的测量，并且不影响赛道的后续使用，同时可以通过读取力和冰状雪深度的曲线了解冰状雪赛道的均匀性。由于高山滑雪的赛道坡度较陡，人工攀爬十分困难，科研人员在一起的便携性上还做了特殊的设计，设计出了一款折叠式的硬度测量仪，方便携带，可以从坡顶沿雪道一直测量到坡底，实现了仪器的“就地展开”和“指哪测哪”的功能。
新仪器保障南极天文观测地基稳定
冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪不仅可以应用于滑雪相关的体育运动中，在未来的极地工程建设上也能发挥作用。这两款仪器的研制初衷便是用于检测我国南极昆仑站地区的冰雪地基承载力。
在南极地区安装大型望远镜本身就存在着很多实际的困难，普通的大型望远镜的基墩都是直接安装在地球的基岩上，这样基墩比较扎实稳固，能保证望远镜在观测时不会因为地基不稳产生晃动，但昆仑站的雪层厚度近4000米，自然雪的密度、强度如果不经过处理的话，是无法满足望远镜假设地基要求的。并且，南极冬夏季温差较大，夏季的冰面地基因温度上升会松动。
因此，在架设望远镜前，研究团队需要对地基进行特殊的加固和隔热处理，以保证地基稳定，使其能够满足基墩的设计要求。在加固处理完成后，雪粒径和硬度测量仪就可以对加固后的冰雪强度进行测量，通过科学的数据检验其是否能够满足南极大型望远镜的需求。
在未来，冰雪粒径自动测量仪和冰雪硬度自动测量仪还将进一步应用在南北极、冻土圈，比如极地机场修建、雪的光反射率测算等。
(来源：中国科学报、南京日报)
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