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冬奥用古典乐来制冰?制冰究竟是怎么一回事

2018-02-09 14:29:00  来源:亚太日报 【返回列表】

在制冰界,有一个流传已久的传说——音乐可以帮助冰结晶。

2014年的索契冬奥会上,制冰大师迪米特里•格里戈里耶夫(Dimitri Grigoriev)在铺设冰道的时候就播放了维尔瓦第的《四季》。“我们弹奏古典音乐,不用摇滚乐也不保持沉默,这样冰会用更合适、更硬实的方式结晶化。”他告诉美国公共广播电视台(NPR),“我是认真的,查查看!”

等一下!如果这事儿是真的,那在听到《四季》里《夏》乐章的时候,冰不会融化吗?

NPR的记者可能也有同样的疑惑,所以他们回去后仔细查阅了资料。结果他们没找到任何科学依据,只能把这事归结为制冰界的民间传说。

维瓦尔第:我就静静地看着你们瞎折腾。图片来源:Wikipedia

维瓦尔第:我就静静地看着你们瞎折腾。图片来源:Wikipedia

不过同为制冰大师的特雷西·塞茨(Tracy Seitz)就对这种迷信嗤之以鼻。“如果我们要做些什么,那我们很可能会播点重金属音乐。”他说——但不是对冰,而是对员工。这样当铺设冰道的时候,他的员工就可以在艰苦的工作时间里“保持清醒并且努力工作”,塞茨说。

塞茨之所以用艰苦来形容这项工作,是因为制造冰块需要做的事情比人们想的要复杂得多。

在分子水平上,奥运会项目上的冰雪和用来堆雪人的、堵在你门前的和让没准备的人在车道上打滑的东西完全一样。所有结冰的水中,水分子都会排列成类似蜂巢的六边形结构。但是覆盖在进行有舵雪橇、无舵雪橇和俯式雪橇的蜿蜒滑道上的冰,或者滑雪场上坚固平整的冰雪,都是在比赛前经过几个月精心塑型调整的,以使这些结冰形态的水达到最优状态。

索契冬奥会上的有舵雪橇比赛。图片来源:GETTY IMAGES

索契冬奥会上的有舵雪橇比赛。图片来源:GETTY IMAGES

“这不仅仅是一块巨大的冰,跟你通常想到的,比如家里冰箱中冰块的那种不一样。”在犹他大学研究冰结构的数学家肯尼思•戈尔登(Kenneth Golden)说,“这是一种比人们通常以为的要有趣、复杂得多的物质。”

冰啊,冰

制作任何滑冰场或冰道需要的冰的第一步是提纯水,去除溶解在其中的固体,比如盐和矿物质。这样的杂质与水冻结时所形成的冰内正六边形结构不匹配。在海冰中可以看见相同的属性,戈尔登解释道,海水结冰时会去除其中盐分,在冰面下形成一团特别咸的液体。但是在滑冰场或者冰道中,杂质会聚集在晶体之间或者被挤到表面,造成冰中的多处微小脆弱点。正如塞茨所说,“水越纯净,冰面的密度就越大”,即冰面就越平滑稳固。

冰的质量和纯度是如此的重要,以至于人们设立了一个特殊的职位“制冰大师”来保证冰的可用性。忘记创造精美冰雕的雕刻家吧,制冰大师们把冰塑造成了地球上最了不起的结构之一。在距奥运会至少一年前,他们就在混凝土赛道或者滑冰场上喷了上百层极薄的超纯水,再用一个内置的快速冰冻系统进行冷冻。供有舵雪橇比赛使用的冰道,需要花费大约五天的连续作业才能铺好,塞茨说。

一位制冰大师在检查冰面。图片来源:Patrick Semansky/AP

一位制冰大师在检查冰面。图片来源:Patrick Semansky/AP

当湿润的空气冻结在冰面时会形成霜层,而这个过程可以防止霜层的形成。霜层可以捕捉冰里的空气泡,这些气泡向外移动时会形成小凹痕。“我们不把冰当成液体,但是它们的流动性非常好,无时无刻不在流动。”塞茨说,“这些冰里的空气层会造成薄弱点,可以逃出去让冰面变得不再稳定。”对于有舵雪橇比赛来说,一个小小的凹痕就可能导致颠簸,加深事故风险。“一次撞击变成两次撞击,两次撞击再变成三次撞击,然后一直持续下去。”

其他冰上项目比如曲棍球、滑冰以及冰壶使用了相似的精细构层法。但是对于每一项运动来说,理想的冰的温度和厚度是不一样的。比如滑冰需要最厚和最暖的冰:大约5厘米的冰面及温和的-4℃的温度。这让滑冰者们可以将冰鞋钩在冰上完成对抗重力的跳跃、旋转表演。

这些魔力并不仅仅来自于人的改造,还来自于冰本身的性能。在冰的边缘,冰中的水分子不是像中心部分的水分子一样牢牢固定成蜂巢状,而是形成了类似于液体的层。这种“预融层”可以润滑冰面,同时赋予冰独特的溜滑质地。冰鞋或冰刀施加在一道冰面上的尖锐压力,可以略微降低冰的融点,有助于光滑水层的形成。冰面上因为冰刀摩擦力造成的轻微融化也为这种冰水混合物添加了液体。

雪啊,雪

作为冰川学博士,萨拉•康纳德(Sarah Konrad)花费相当多的时间思考关于雪的问题。但是她与雪还有另一层更私人化的关系:她在38岁的时候参加在2006 年意大利都灵冬奥会的冬季两项(越野滑雪和步枪射击)和越野滑雪项目,是美国历史上首个获得两项不同冬季赛事参赛资格的女性。

索契奥运会上的康纳德。图片来源:Tribune Content Agency LLC / Alamy

索契奥运会上的康纳德。图片来源:Tribune Content Agency LLC / Alamy

令人惊讶的是,在冰雪运动中让速度最慢的环境,也是休闲滑雪爱好者们最喜欢的东西:刚落下来的雪末。

与因水冻结而形成的冰不同,雪是在“过冷”或是刚好在冰点以下时候,由大气中的水分或者水蒸气结晶形成的。为了真的形成晶体,水蒸气必须与其他物体相结合才能触发晶化,比如说一些灰尘的微粒。具体为什么需要这些颗粒以及它们如何帮助成雪的问题还存在争议,但是如果没有它们的存在,那想要制造雪就需要极度的寒冷——在-30℃以下,冰晶体才能单独形成雪花。

一旦成雪开始,晶体就会吸引其他过冷的水蒸气组成错综复杂的图案。常见的六翼雪花——康拉德这样叫它们——自身呼应了冻结的水分子的六边形排列。虽然华丽,但这些复杂的雪花并不是冰雪运动的最佳选择。这些边缘和棱角让六翼雪花肉眼下如此有吸引力,但同时也意味着对滑雪板来说太过粗糙,会减缓奥运选手的速度。“它的表面不均匀,即使在显微层面上讲也是如此。”康纳德说,她现在是怀俄明大学的项目副主任。

微观下雪花。图片来源:Vadym Cherenko / Alamy

微观下雪花。图片来源:Vadym Cherenko / Alamy

但是一旦雪花触碰到地面,这些雪花的结构就开始变化。除了风和其他物理作用力的影响之外,雪花本身也会随着时间而慢慢变形,变得越来越紧凑圆润。“它从这种羽毛状的精巧晶体变成了一种像滚珠轴承的东西,”康纳德说,“这样速度就可以变快很多,因为雪花的边缘已经不那么粗糙了。”

有些赛道建造专家甚至更喜欢人工雪花。他们说人工雪花有一种“旧雪”感,不需要像自然雪花一样等待时间的流逝来获得这种特质。这种雪花是通过在场馆内喷射细水雾和压缩空气制造的。空气的膨胀能使雾气冷却并让它们保持在高处,确保有足够的冷冻时间。这样晶体就缺乏形成复杂六翼状雪花的条件和时间,康纳德说,所以最终的形状是可预测的,这让场馆建设变得更容易。“但是这也少了些乐趣。”康纳德补充道。

然而对于高山赛道的建设,需要做很多工作来保证赛道能达高速且耐用。工程师常常弄湿表层让重新冷冻,制作出一个紧凑、高速的赛道。但是如果雪太湿或者空气过于温暖,那么赛道会很快变得满是划痕、七零八碎。在奥运会到来之前,负责维护雪道的人花费数月的时间照看赛道的运行效果——不间断地塑形、重塑赛道的每个坡道、角落,以达到稳固、高速的赛道和冰层的完美平衡。

当然,有时候突如其来的坏天气是无法避免。2014年索契冬奥会就遭遇过这件事,那时过于温暖的环境导致赛道变得崎岖坑洼,雪呈粒状或者说像“糖”一样了。在单板滑雪半管的比赛中,有超过一半的选手在资格赛时摔落。两届奥运会奖牌得主汉纳•泰特(Hannah Teter)说这个赛道“危险”又“糟糕”。

对于越野滑雪比赛,康纳德说,“在温暖的环境下,你上的蜡和蜡的结构会变得非常重要。”各种各样的组合蜡会用在滑雪板的底部——经常是熨烫上去的——有助于它们在雪上顺畅滑动。如果你用了错误的蜡,康纳德说,“你真的能搞砸一切。”滑雪队会花费非常多的金钱和时间在作出决定的滑雪蜡技师身上。这些技师会在距离奥运会开幕两年前就被派去赛道,掌握环境变动的范围和针对每种条件的最佳滑雪蜡选择。

熨烫滑板蜡。图片来源:ellis-brigham.com

熨烫滑板蜡。图片来源:ellis-brigham.com

冬季运动的存在和进行都归功于冻结的水具有独特性质。戈尔登指出,毕竟滑冰运动始于一个简单现象:池水上可以漂浮一层冰。在更广泛的意义上看,北极生物多样性的存在也是因为冰构成的冰架。冰架支撑着在上面生活的生命们,同时保护了水下王国的成员。正如戈尔登的惊叹,“这一切都是因为这件小小的事情:水的固体形态比液体形态的密度更小。”

然而随着气候变暖和部分地区的降雪越来越少,冬季户外运动面临威胁。在索契,组织者制造的雪足够去覆盖1000个足球场,人们用瑜伽垫般的隔热毯子盖住这些大量成堆的雪花。随着人工造雪技术和存雪技术一年年的进步,这样的修复方案也许会在未来的冬奥会中变得越来越重要。

幸运的是,平昌冬奥会不用担心这个问题。在二月,平昌的风冷指数常常在个位数上盘旋。事实上,平昌冬奥会的温度甚至降到某些运动的最佳温度之下。塞茨说,对于有舵雪橇运动当温度低于-5℃时,冰会特别容易碎。康纳德说,越野滑雪的“快乐温度”大约是-4℃,更冷的温度会让雪变得干燥、速度也会被减缓。

康纳德淡定地看待赛道上可能遭遇的各种雪况。“从一个滑雪者的角度出发,‘最好的’雪是不存在的,只要雪道在那里,并且所有选手的使用时的条件相仿,我们通常就会非常开心了。”她这样说道。

但是只要冬季竞赛存在,一丝不苟的制冰大师们在制造赛场时,就不会漏过任何一个影响比赛的因素和条件。在谈论了45分钟的冰后,我问塞茨有没有任何告别冷冻水事业的想法。他说,“我可能会一直做下去,直到永远。”

(来源:果壳网)