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科學(xué)儀器助力冬奧會 保證高山滑雪賽道質(zhì)量
2022年01月25日 13:20:34
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點(diǎn)擊量：8422
中國科學(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所南極團(tuán)隊(duì)和中國氣象科學(xué)研究院為了助力2022年的北京冬奧會，共同合作研發(fā)了能夠用于判斷冰狀雪賽道質(zhì)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(wǎng) 時(shí)事熱點(diǎn)】“冬奧會皇冠上的明珠”指的就是高山滑雪，這項(xiàng)比賽項(xiàng)目有著極強(qiáng)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(zhì)形態(tài)，冰狀雪的狀態(tài)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(yùn)動員即便是在高速轉(zhuǎn)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(shí)還要反復(fù)去將濕雪攪拌均勻，以確保賽道內(nèi)的雪層厚度保持一致并且沒有大氣泡時(shí)能夠迅速將其亞平。再經(jīng)過一段時(shí)間的低溫板結(jié)和下沉，雪道內(nèi)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(jīng)驗(yàn)的裁判員利用探針安裝在電鉆上進(jìn)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(zhì)量，全憑經(jīng)驗(yàn)作出判斷的這種“直覺”性檢測往往會使結(jié)果幾乎不具有任何科學(xué)性，同時(shí)也無法保證運(yùn)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(xué)院南京天文光學(xué)技術(shù)研究所南極團(tuán)隊(duì)和中國氣象科學(xué)研究院為了助力2022年的北京冬奧會，共同合作研發(fā)了能夠用于判斷冰狀雪賽道質(zhì)量的冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀。團(tuán)隊(duì)充分考慮了不同于自然雪的人工造雪的特殊情況，并結(jié)合了冰狀雪賽道的特點(diǎn)，將冰狀雪質(zhì)量的人工主觀判斷，變成了客觀、清晰的科學(xué)指標(biāo)，為冰狀雪賽道制作標(biāo)準(zhǔn)的透明化提供了參考依據(jù)。
積雪顆粒的形狀及大小是影響雪的力學(xué)性質(zhì)的主要因素，不同大小雪粒之間在自然狀態(tài)下空隙不斷變小，雪中含有的空氣降低，使得雪粒間的化學(xué)鍵合力增強(qiáng)，從而影響雪的硬度?？蒲腥藛T采用了漫散射原理來測量積雪的顆粒：近紅外光經(jīng)過粗糙的表面會被無規(guī)律的向各個方向反射，會造成光強(qiáng)度減弱，光減弱的大小跟表面的粗糙相關(guān)，而積雪表面的粗糙程度是由粒徑?jīng)Q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(qiáng)度的重要指標(biāo)之一，冰雪硬度測量儀的原理是通過電機(jī)帶動滑軌驅(qū)動探頭打入冰狀雪賽道內(nèi)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(jìn)行冰雪硬度的測量，并且不影響賽道的后續(xù)使用，同時(shí)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(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)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(wěn)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(yīng)用于滑雪相關(guān)的體育運(yùn)動中，在未來的極地工程建設(shè)上也能發(fā)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(qū)的冰雪地基承載力。
在南極地區(qū)安裝大型望遠(yuǎn)鏡本身就存在著很多實(shí)際的困難，普通的大型望遠(yuǎn)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(shí)穩(wěn)固，能保證望遠(yuǎn)鏡在觀測時(shí)不會因?yàn)榈鼗环€(wěn)產(chǎn)生晃動，但昆侖站的雪層厚度近4000米，自然雪的密度、強(qiáng)度如果不經(jīng)過處理的話，是無法滿足望遠(yuǎn)鏡假設(shè)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(shè)望遠(yuǎn)鏡前，研究團(tuán)隊(duì)需要對地基進(jìn)行特殊的加固和隔熱處理，以保證地基穩(wěn)定，使其能夠滿足基墩的設(shè)計(jì)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(qiáng)度進(jìn)行測量，通過科學(xué)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)其是否能夠滿足南極大型望遠(yuǎn)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(jìn)一步應(yīng)用在南北極、凍土圈，比如極地機(jī)場修建、雪的光反射率測算等。
(來源：中國科學(xué)報(bào)、南京日報(bào))
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