Настоящий снег

Природный снег образуется из атмосферных водных паров. Когда водяные пары, которые являются газообразной формой воды, охлаждаются до точки конденсации, они переходят из газообразной в жидкую или твердую форму. Привычные нам облака состоят как раз из таких сконденсированных капель, правда настолько малых, что их без труда удерживают наверху потоки восходящего воздуха. Когда капельки становятся слишком тяжелыми, они выпадают на землю в качестве дождя. Если температура оказывается на много ниже точки конденсации, водяные пары минуют жидкую фазу, образуя маленькие кристаллы. На большей части земного шара привычный нам дождь начинается, как ни странно, со снегопада, однако снежинки по мере приближения к земле успевают растаять. Дело в том, что на высоте образования облаков всегда стоит отрицательная температура, сравнимая с якутскими морозами. Простым подтверждением этого факта является град жарким летом.

Чем выше облако, тем оно холоднее. Высокие перистые облака, «дрейфующие» при температурах ниже минус 35°С, состоят из кристалликов-призм, которые выглядят, как блестящие подвески люстр, сверкающие в лучах солнца. Кристаллы различной формы образуются при разной температуре. Если температура в облаке в пределах минус 3 до 0 градусов, то образуются плоские шестиугольники; от -5 до -3°С формируются игольчатые кристаллы; от -8 до -5°С образуются столбики-призмы; от -12 до -8°С вновь появляются плоские шестиугольники; от -16 до -12°С возникают первые звездчатые снежинки. При дальнейшем снижении температуры образуются снежинки всех типов. Кристаллы-столбики, образующиеся в холодных облаках высоко над землёй при очень низких температурах, падают на грунт сквозь более теплые облака, при этом на концах могут вырасти звёздочки. По мере того, как снежинка растёт, она становится тяжелее и падает на землю, при этом форма её изменяется. Если снежинка при падении вращается, как волчок, то её форма идеально симметрична, если же она падает боком или иначе, то форма будет несимметричной. Падающие кристаллы слипаются, формируясь в снежные хлопья. В каждой такой крупной снежинке содержится от 2 до 200 снежных кристаллов. Таким образом, форма снежинки – это естественная запись её маршрута по разным облакам с различной температурой.

Однако вода не замерзает автоматически, когда температура падает ниже точки замерзания. Дистиллированную воду можно охладить до довольно низкой температуры –40⁰С, а она останется жидкостью. Однако в реальной жизни пар в облаках начинает кристаллизоваться уже при 0⁰С. Дело в том, что для того, чтобы пошел процесс конденсации, воде нужны мельчайшие частички, вокруг которых могли бы оседать ее молекулы. Такими центрами конденсации в атмосфере выступают мельчайшие частички сажи, городского смога, бактерии и другие материалы. Например, именно так разгоняют облака, распыляя с самолетов над ними специальные реагенты (например, йодистое серебро), выступающие как раз такими центрами конденсации.

Кристаллизуясь, вода в облаках образует разнообразные причудливые шестилучевые фрактальные формы. И чем более долгое время идет процесс кристаллизации, тем сложнее рисунок снежинки. В облаках этот процесс занимает десятки минут. Искусственный же снег образуется за секунды, поэтому при ближайшем рассмотрении его кристаллы выглядят как шестиугольные с зародышами лучей, а на ощупь напоминают крупу. Однако тает такой снег медленнее натурального, и лыжи на нем скользят по-другому.

Искусственный снег

Техника получения искусственного снега была разработана и запатентована в США еще в 50-е годы прошлого века. Но настоящее развитие получила только в 70-х. В настоящее время уже практически все горнолыжные курорты, в большей или меньшей степени, производят снег искусственным путем.

Для этой цели служит специальное «снежное оружие» - снегогенераторы. Существует три типа снегогенераторов : снегогенераторы с внутренним смешиванием, снегогенераторы с внешним смешиванием, часто называемые еще «снежными ружьями» или «башнями» и вентиляторные снегогенераторы – «снежные пушки».

Снегогенератор с внутренним смешиванием — это система с использованием смешивания воды и воздуха во внутренней камере форсунки снегогенератора. При выходе смеси воды и сжатого воздуха из форсунки происходят расширение этой смеси и термодинамический эффект охлаждения (ниже 0 °С). Крошечные капли воды замерзают, формируя микрокристаллы, которые, в свою очередь, становятся центрами дальнейшего кристаллообразования (нуклеации). На таких центрах нуклеации (зародышах) из более крупных капель формируются хлопья снега.

Снегогенератор с внешним смешиванием — Еще один тип водно-воздушной системы. Процесс снегообразования в ней выглядит следующим образом. Разнесенные воздушная и первая водяная форсунки подают ограниченное количество воды и воздуха в зону смешивания, расположенную на расстоянии 8-10 см от ружья, где образуются зародыши кристаллов снега. Эти мини-кристаллы по инерции смещаются далее, на расстоянии приблизительно 20 см от ружья они попадают в поток воды из второй форсунки, где на них налипает вода.

Кристаллизация снега происходит во время свободного падения кристаллов на землю. Поэтому такие установки обычно монтируют на верхнем конце легкой (обычно алюминиевой) и длинной (до десяти метров) трубы-штанги высотой 4-10 метров. Да-да,  это те самые «журавли», что стационарно устанавливаются вдоль боковой кромки склона. Думается, их видел каждый.

Вентиляторный снегогенератор — Система, где для формирования взвеси капель воды вместо сжатого специальным компрессором воздуха используется подача воздуха с помощью мощного вентилятора. При этом капли находятся в воздухе достаточное время для того, чтобы значительно охладиться и замерзнуть, превратившись в снег.

В первых конструкциях снежных пушек вода смешивалась со сжатым воздухом и выбрасывалась через форсунки под высоким давлением в поток воздуха, создаваемый мощным вентилятором. Сжатый воздух выполнял сразу три задачи: распылял воду, выбрасывал образовавшиеся капельки в воздух и дополнительно охлаждал воду. Последний эффект основан на том, что при адиабатическом расширении (вспоминаем школьную физику) газы охлаждаются. Попробуйте вскрыть баллончик с углекислотой – он мгновенно охладится до минусовых температур, рискуя отморозить руки.

Недостатком такой схемы является большой расход воздуха. Поэтому более современные пушки работают по двухступенчатому процессу и оснащены устройствами для нуклеации (зародышеобразования).

Мощный вентилятор создаёт непрерывный поток воздуха, который движется через основные и нуклеационные кольца с форсунками. В них путем смешивания сжатого воздуха и небольшого количества воды образуются мельчайшие кристаллики льда – зародыши искусственного снега. Затем эти «зародыши» попадают в поток распыленной мощными вентиляторами воды, которая, кристаллизуясь на них, быстро образует готовые кристаллы снега. Между вентилятором и кольцами находятся пластинки-лопасти, прикрепленные изнутри к кожуху генератора. Они способствуют лучшему перемешиванию всех компонентов смеси.

Отличительной чертой всех пушек является мощный вентилятор, выбрасывающий водно-воздушную смесь на расстояние до 60 метров. За время такого полета успевают сформироваться кристаллы искусственного снега, а сама система искусственного оснежения может работать в ветреную погоду и распылять снег в заданном направлении под углом поворота от 15 до 60°. Это позволяет быстро формировать и пологие и сложные крутые трассы.

Эти пушки, похожие на авиационные двигатели, очень эффектны внешне. Но есть у них и серьезные технические преимущества. Первое из них – способность эффективно работать в широком диапазоне входных давлений воды. Дело в том, что сам принцип кристаллизации воды в этих пушках не тот, что в водно-воздушных.  Если «ружья» распыляют пропорциональную смесь воздуха и воды, готовую к кристаллизации за счет естественного охлаждения, то вентиляторная пушка действует иначе. Объем нагнетаемого лопастями воздуха избыточен по отношению к объему воды (соотношение – более чем 1:600), поэтому распыленные форсунками микрокапли мгновенно замерзают не за счет низкой температуры окружающей среды, а за счет резкого снижения температуры потока, вызванного падением давления при расширении воздуха.

Может возникнуть вопрос: Зачем тогда ждать минуса за окном? Лишь затем, чтобы только что родившаяся снежинка не растаяла, не успев долететь до земли.

Второе важное преимущество  «вентиляторов» – их независимость в плане сжатого воздуха. А вместе эти особенности позволяют сформулировать главное преимущество вентиляторных пушек – это их высокая мобильность. Смонтированные, как правило, на передвижных лафетах, самоходных или буксируемых, они позволяют засыпать снегом именно тот участок склона, который нуждается в этом более всего. Подключение к ближайшим гидрантам осуществляется гибкими рукавами.

Но если вентиляторные пушки так хороши, то почему они не вытеснили своих башенных собратьев со склонов? Ответ – в заметно более высоком энергопотреблении и более сложной конструкции вентиляторных устройств, определяющей более высокую стоимость как самих установок, так и их эксплуатации. В общем, «вентиляторный» искусственный снег дороже «башенного». Поэтому там, где возможна стационарная установка пушек, мы всегда видим «башни».

Условия снегообразования

Наличие снежной артиллерии еще не означает решения всех снежных проблем. Многое зависит и от условий снегообразования, важнейшими параметрами которых являются температура и относительная влажность (отношение фактически содержащегося в воздухе водяного пара к количеству водяного пара, соответствующему состоянию насыщения). Оснежение происходит тем лучше, чем ниже температура воздуха и меньше его влажность. Дело в том, что вода охлаждается собственным частичным испарением, то есть переходом части жидкости в пар. Однако чем выше относительная влажность, тем более замедленным будет процесс испарения и, следовательно, охлаждения.
Поэтому при низкой относительной влажности возможен процесс снегообразования при температуре выше 0⁰С. При высокой же влажности и при низких температурах возможно получение вместо снега обычного дождя.

При относительной влажности 30% снежные пушки возможно запускать при температуре –1⁰С, это считается хорошими условиями для снегообразования. Если же температура падает ниже –6,7⁰С, то тогда можно делать снег и при относительной влажности 100%. При температуре же ниже –10⁰С на влажность внимания можно вообще не обращать.

Чтобы учесть эти факторы при оснежении используют так называемый «влажный термометр».

Температура по влажному термометру — это температура микрокапель, выходящих из форсунок снегогенератора, которая достигается при завершении всех теплообменных процессов с окружающей средой. Все автоматические системы (включая управление водными ресурсами), установленные в западных странах Европы, обычно начинают производить снег при -4 °С по влажному термометру. При этом полагают, что производство снега при более высоких температурах является непродуктивным и неоправданно дорогим. Только на нескольких курортах, расположенных в более теплых частях Европы, например в Испании и Португалии, начинают производить снег при -2 °С по влажному термометру, поскольку в таком случае не остается выбора.

В реальной жизни условия снегообразования могут разниться не только от трассы к трассе, но и между двумя рядом стоящими пушками: одна уже может делать снег, а для стоящей всего 100 м ниже – условия недостаточные.

Кстати, для информации: минимальный начальный уровень снежной подушки склонов равняется 0,29 –0,30 м. При этом она должна быть максимально плотная. При температуре воздуха -4 -6 С° и воды +4 С° для оснежения одного квадратного метра склона необходимо приблизительно 0,45 м.куб. воды и 0,388 кВт.ч  электроэнергии. Максимальная эффективность снегогенераторов достигается при температуре в районе  -13 С° по влажному термометру.

Раньше за работой снежных пушек следили высокопрофессиональные специалисты на склонах, которые и решали, когда и где включать снежное оружие. Сейчас им на смену приходят мощные компьютерные системы, на пушках устанавливают портативные метеостанции, а управление системами оснежения осуществляется из единого комфортного центра.

 Автор: Сергей Пугачев

PS: При создании статьи использованы материалы с тематических сайтов и  каталоги фирм-производителей снегогенераторов.