雪の形成から積雪まで、人工雪と天然雪の違いは何でしょうか？

氷上・雪上スポーツの人気が高まっており、皆さんがよく訪れるスキー場のゲレンデは基本的に人工雪で作られています。降雪機やスノーガンが雪を噴射しているのを見て、雪がどのように作られるのか疑問に思ったことはありませんか？人工雪と自然に降る雪の違いは何ですか？また、地面に落ちた後の状態の違いは何ですか？

稼働中の「スノーキャノン」（写真提供：首鋼スキージャンプ競技場運営チーム）

パート1

天然雪：水と塵の結晶化

人工雪について話す前に、まずは天然雪について見てみましょう。

自然界における雪は、大気中の水蒸気が凝縮して形成される固体の降水です。その構造は温度と湿度によって変化し、大部分は六角形です。

パート2

では、自然の雪片はどのようにして形成されるのでしょうか?

特定の温度条件下では、空気中の水蒸気含有量が最大限度に達し、水の異なる相（固体、液体、気体）が相互に変化することがあります。気温が下がると、飽和水蒸気は過飽和状態になり、浮遊する塵埃に簡単に凝縮して氷の結晶を形成します。

その後、氷の結晶は周囲の水蒸気を吸収し続け、大きくなりましたが、氷の結晶付近の水蒸気は減少し続けました。このようにして、氷結晶の近くの水蒸気密度は遠く離れた場所よりも低くなり、その結果、比較的高い水蒸気圧勾配が生じます。勾配圧力によって、水蒸気は氷の結晶の周囲から氷の結晶がある場所へと徐々に移動します。移動する水蒸気分子はまず氷の結晶の角や突起にぶつかり、そこで凝縮して氷の結晶の一部になります。

このようにして、氷の結晶の端は成長し続け、徐々に枝分かれしていきます。その後、同様の仕組みで、枝や角ごとに新たな小枝が生え、徐々に星型の雪片が形成されていきました。

星形の雪の結晶の形成過程（画像出典：著者自作）

大気中の氷結晶の温度と湿度の状態は常に変化しているため、氷結晶の表面、端、角のさまざまな部分の成長速度は一定ではありません。水蒸気が氷の結晶の表面のみで凝縮すると、柱状の雪片が形成されます。水蒸気が氷の結晶の端や表面に凝縮すると、薄片状の雪片が形成されます。水蒸気が氷の結晶の表面、縁、角に凝縮し、鋭い角がより目立つようになると、凝縮は最も速く進み、枝分かれした形や星形の雪片が形成されることが多いです。したがって、大気の温度と湿度が絶えず変化するため、雪の結晶の形は常に変化します。形や大きさがまったく同じ、あるいは完全に対称的な雪の結晶は自然界では形成されません。

典型的な柱状、薄片状、星形の雪片（画像出典：著者自作）

パート3

人工雪：氷の結晶が「作られる」

常に変化する自然の雪の結晶と比べると、人工雪はほとんど同じ型から削り出されます。

一般的な人工雪は、高圧水ポンプからの高圧水とエアコンプレッサーからの高圧空気を混合し、二重入口ノズルから噴射して作られます。高圧の空気によって水が細かい粒子に分割されます。これらの粒子は冷たい空気の中で氷の結晶に固まり、さらに水蒸気と接触することで結晶が成長します。

氷の結晶が発達・成長するのに十分な時間と空間がないため、人工雪は白く不透明で、形状も球形または円錐形に近く、星形や枝分かれした形状を形成することが困難です。狭義では、この種類の人工雪はみぞれ（発音は「シアン」、第4音、スノーボールとも呼ばれ、直径は通常0.3～2.5mmで、大気の対流が強く、雲が強く乱れている状況で生成される）に属し、雪の範疇には属さない。

あられに似た人工雪（画像出典：著者自作）

もう一つのタイプの人工雪は、製氷装置を使用して水からフレーク氷を作り、次に氷粉砕装置を使用してフレーク氷を粉末に砕き、最後に粉末氷結晶を空気供給システムを通じて送り出すというものです。

2022年1月16日、ゲンティン・スノーパークでは人工降雪作業が行われていた。

（写真提供：People's Vision、撮影：胡王）

天然雪の複雑で長い成長過程に比べると、人工雪は「生まれた」ように見えますが、人工雪であれ天然雪であれ、実は水の固体相です。冬の雪は地球の固い水の貯蔵庫であり、春が来て花が咲くと溶けてすべてのものを養うことができます。人工雪は冬の「固体貯水池」を補うものです。降雪量の少ない年には、適切な量の人工雪が春の干ばつを軽減し、人々の生活に恩恵をもたらします。

したがって、人工雪が水資源を浪費し、生態環境や水の安全性に影響を与えると考えるのは、実際には根拠のないことです。

雪は万物に栄養を与える強固な貯水池です（画像出典：著者自作）

パート4

雪の結晶は地面に落ちて積もると変化するのでしょうか？

自然の雪片が降った後、雪片同士の圧迫、風による浸食、日光への露出により枝角が磨り減り、雪片は小さな氷の結晶に砕け散ります。低温環境下で等温変成作用を経ると、最終的には直径0.5mm未満のほぼ円形の丸い雪の結晶になります。

雪の厚さが増すにつれ、スキー場内の気温は明確な勾配変化を見せます。昼と夜の気温差も相まって、雪の温度勾配の方向も変化します。温度勾配により、雪の中の自由水蒸気は、時には上向きに、時には下向きに動きます。

雪の結晶が移動する過程で、水蒸気が丸い雪の結晶に付着し、直径1～3mmのさまざまな形の多面体の雪の結晶に変化します。隣接する多面体の雪の結晶も、鉄板を電気溶接するのと同じように、自由水蒸気によって焼結され、最終的に多面体の雪の結晶の鎖を形成します。

多面体の雪の結晶の連鎖（画像出典：著者自作）

すると、一定の厚さの雪の断熱効果により、雪底の温度は一定になり、常に雪面の温度よりも高くなります。温度勾配の方向は安定しており、水蒸気の移動方向は統一されています。水蒸気は多面体の雪の結晶に同じ方向に付着し続けるため、雪の結晶の粒子は徐々に大きくなり、迷路、瑪瑙、ピラミッド、ダイヤモンドなどさまざまな規則的な形の雪の結晶を形成します。

深い霜の雪の結晶（画像出典：著者自作）

雪の粒子が沈降する時間と雪の結晶の発達度合いが異なるため、雪の結晶の粒子とサイズにも明らかな違いがあります。そのため、雪の断面は、上から下まで、丸い雪の結晶、多面的な雪の結晶、深い霜など、明確な層構造を示します。

最初の着地から融解までの理想的な自然の雪粒の発達と変成プロセスは、次のようになります：雪の結晶の堆積 - 等温変成作用による雪の結晶の丸み付け - 漸次温変成作用による雪の結晶の多面体化。同じ空間でも、雪の中の異なる雪層における雪結晶の着地時間、圧力、温度勾配などに大きな違いがあるため、異なる雪結晶の発達度合いも異なり、結晶の種類も明らかに異なります。

真冬の積雪断面の各層における雪結晶の種類（画像出典：著者自作）

では、天然雪と人工雪の違いは何でしょうか?

天然の雪片は地面に落ちた後、平らで互いに絡み合っているため、積もった雪は多孔性が高く、密度が低く（天然の新雪の密度は1立方センチメートルあたり0.05〜0.15グラム）、硬度が低く、非常に柔らかいです。一方、人工雪は、ほぼ球形または円錐形の密度の高い結晶です。積もった雪は、多孔性が低く、密度が高く（人工雪の密度は1立方センチメートルあたり0.5グラム以上）、硬度や強度などの機械的特性は天然雪よりもはるかに高くなります。

また、人工雪は天然雪に比べて単結晶型で、同じスキー場でも成層化が顕著ではなく、結晶の発達や劣化が遅く、多面体雪結晶や深霜雪結晶が形成されにくく、性質は単一で安定しています。

氷上・雪上スポーツを楽しむ際には、安全を確保しながら人工雪を間近で触ってみるのもよいでしょう。テクノロジーはあなたや私の周りにあります。

参考文献:

1. Libbrecht, K. 雪の結晶[M]ボヤージャープレス、2003年。

2. 山淑花。みぞれとみぞれの違い[J]。気象学、1990(12):50-51.

3. Marbouty D. 温度勾配変成作用に関する実験的研究[J]氷河学ジャーナル、1980年、26(94):303-312。

4. シンプキンスG. 雪による水害[J]ネイチャー気候変動、2018年、8(11):945-945。

制作：中国科学普及協会

プロデューサー：ハオ・ジャンシェン

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

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この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。