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科學儀器助力冬奧會 保證高山滑雪賽道質量
2022年01月25日 13:20:34
來源：化工儀器網 作者：羊舌木 點擊量：8443
中國科學院南京天文光學技術研究所南極團隊和中國氣象科學研究院為了助力2022年的北京冬奧會，共同合作研發了能夠用于判斷冰狀雪賽道質量的冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀。
【化工儀器網 時事熱點】“冬奧會皇冠上的明珠”指的就是高山滑雪，這項比賽項目有著極強的速度感、競技性與觀賞性。高山滑雪賽道大部分采用的是冰狀雪賽道，冰狀雪指的是滑雪場的一種雪質形態，冰狀雪的狀態下雪花的密度基本保持在0.65g/cm³，在雪表面有一層薄薄的硬冰殼，能夠用來減小賽道表面和滑雪板之間的摩擦力，使賽道不宜被破壞，運動員即便是在高速轉彎的情況下，雪道依舊能保持表面不變形。
冰狀雪賽道的制作并不簡單，將雪道翻開，并把雪塊破碎成40厘米左右的疏松層之后才能用水泡往里面注水，一邊注水的同時還要反復去將濕雪攪拌均勻，以確保賽道內的雪層厚度保持一致并且沒有大氣泡時能夠迅速將其亞平。再經過一段時間的低溫板結和下沉，雪道內就會由下而上的在最上層形成硬冰殼。
冰狀雪賽道既然如此高難度且困難的制造步驟，那么怎樣才能判斷滑雪賽道是否合格？以往來說，通常是采用人工判斷的方法，讓一些有經驗的裁判員利用探針安裝在電鉆上進行一些觸探工作，通過觸探工作反饋的手感從而判斷冰狀雪賽道的建造質量，全憑經驗作出判斷的這種“直覺”性檢測往往會使結果幾乎不具有任何科學性，同時也無法保證運動員的人身安全。
新型冰狀雪測量儀器為賽道增添合格“證書”
中國科學院南京天文光學技術研究所南極團隊和中國氣象科學研究院為了助力2022年的北京冬奧會，共同合作研發了能夠用于判斷冰狀雪賽道質量的冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀。團隊充分考慮了不同于自然雪的人工造雪的特殊情況，并結合了冰狀雪賽道的特點，將冰狀雪質量的人工主觀判斷，變成了客觀、清晰的科學指標，為冰狀雪賽道制作標準的透明化提供了參考依據。
積雪顆粒的形狀及大小是影響雪的力學性質的主要因素，不同大小雪粒之間在自然狀態下空隙不斷變小，雪中含有的空氣降低，使得雪粒間的化學鍵合力增強，從而影響雪的硬度。科研人員采用了漫散射原理來測量積雪的顆粒：近紅外光經過粗糙的表面會被無規律的向各個方向反射，會造成光強度減弱，光減弱的大小跟表面的粗糙相關，而積雪表面的粗糙程度是由粒徑決定的。通過測量光減弱的比例，間接地測量出積雪的顆粒大小。
雪的硬度測試是反映冰雪強度的重要指標之一，冰雪硬度測量儀的原理是通過電機帶動滑軌驅動探頭打入冰狀雪賽道內部，并通過讀取探頭所收到的反作用力的大小，從而判斷冰雪的硬度條件。冰雪硬度測量儀能夠做到基本無損地對賽道進行冰雪硬度的測量，并且不影響賽道的后續使用，同時可以通過讀取力和冰狀雪深度的曲線了解冰狀雪賽道的均勻性。由于高山滑雪的賽道坡度較陡，人工攀爬十分困難，科研人員在一起的便攜性上還做了特殊的設計，設計出了一款折疊式的硬度測量儀，方便攜帶，可以從坡頂沿雪道一直測量到坡底，實現了儀器的“就地展開”和“指哪測哪”的功能。
新儀器保障南極天文觀測地基穩定
冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀不僅可以應用于滑雪相關的體育運動中，在未來的極地工程建設上也能發揮作用。這兩款儀器的研制初衷便是用于檢測我國南極昆侖站地區的冰雪地基承載力。
在南極地區安裝大型望遠鏡本身就存在著很多實際的困難，普通的大型望遠鏡的基墩都是直接安裝在地球的基巖上，這樣基墩比較扎實穩固，能保證望遠鏡在觀測時不會因為地基不穩產生晃動，但昆侖站的雪層厚度近4000米，自然雪的密度、強度如果不經過處理的話，是無法滿足望遠鏡假設地基要求的。并且，南極冬夏季溫差較大，夏季的冰面地基因溫度上升會松動。
因此，在架設望遠鏡前，研究團隊需要對地基進行特殊的加固和隔熱處理，以保證地基穩定，使其能夠滿足基墩的設計要求。在加固處理完成后，雪粒徑和硬度測量儀就可以對加固后的冰雪強度進行測量，通過科學的數據檢驗其是否能夠滿足南極大型望遠鏡的需求。
在未來，冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀還將進一步應用在南北極、凍土圈，比如極地機場修建、雪的光反射率測算等。
(來源：中國科學報、南京日報)
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