علم برف‌سازی برای المپیک زمستانی چیست؟

به گزارش حلقه وصل، شهر پکن در چین میزبان اولین بازی‌های المپیک زمستانی با تکیه کامل بر برف مصنوعی است.

بازی‌های المپیک زمستانی تصاویری از رشته‌کوه‌های برفی، پیست‌های یخ‌زده و ورزشکارانی با لباس‌های مخصوص هوای سرد را در ذهن تداعی می‌کند. دلیل آن نیز واضح است، شهرهای میزبان المپیک‌های زمستانی اغلب در مکان‌هایی واقع شده‌اند که میانگین بارش برف در آنها ۳۰۰ اینچ(۷۵۰ سانتی‌متر) در سال یا بیشتر است.

با این حال، این مسابقات این بار در شهری در حال برگزاری است که زمستان چندان سرد و برفی ندارد و کوه‌های اطراف آن تقریبا خالی از هرگونه برفی هستند. در هر زمستان در این منطقه معمولاً فقط چند اینچ برف می‌بارد و این بدان معناست که اساساً تمام برفی که ورزشکاران المپیک زمستانی در حال مسابقه دادن و رقابت روی آن هستند، ساخته دست انسان و مصنوعی است.

پیتر ویلز(Peter Veals) دانشمند علوم جوی از دانشگاه یوتا در حوزه آب و هوای کوهستانی و برف تخصص دارد. وی همچنین بنیانگذار یک استارتاپ برف سازی و همچنین یک اسکی‌باز است. وی در یک مقاله به این موضوع پرداخته است که در ادامه به بیان آن خواهیم پرداخت.

تفاوت‌های مشخصی بین برف طبیعی و مصنوعی وجود دارد و جالب است که بدانیم آیا این تفاوت‌ها تأثیری بر رقابت ورزشکاران دارد یا خیر.

چگونه برف تقلبی درست کنیم

اگرچه برف مصنوعی و برف طبیعی هر دو در واقع آب یخ زده هستند، اما اغلب اسکی بازان و اسنوبورد سواران بلافاصله می‌توانند تشخیص دهند که این دو بسیار متفاوت هستند.

فرآیند برف‌سازی سنتی از آب فشرده، هوای فشرده و نازل‌های تخصصی برای دمیدن قطرات ریز مایع در هوا استفاده می‌کند که پس از افتادن روی زمین منجمد می‌شوند. اما برف‌سازی به همین سادگی نیست که فقط مطمئن شوید هوا به اندازه کافی سرد است.

آب خالص تا زمانی که تا حدود منفی ۴۰ درجه سانتیگراد سرد نشود، یخ نمی‌زند. تنها وجود ذرات معلق میکروسکوپی در آب است که به آن اجازه می‌دهد در دمای صفر درجه سانتیگراد یخ بزند. این ذرات که به عنوان هسته‌های یخ شناخته می‌شوند، به عنوان نوعی داربست برای کمک به شکل‌گیری بلورهای یخ عمل می‌کنند. بدون این ذرات، آب در تلاش برای تبدیل شدن به یخ با چالش مواجه می‌شود و ذرات مختلف بسته به پیکربندی مولکولی خاص خود می‌توانند دمای انجماد آب را افزایش یا کاهش دهند.

دو نمونه از بهترین هسته‌های یخ، یدید نقره و پروتئینی است که توسط یک باکتری به نام لکه زاویه‌ای برگ‌کدوئیان(Pseudomonas syringae) تولید می‌شود. اغلب سیستم‌های برف‌سازی، یک شکل تجاری از پروتئین باکتری را به آب اضافه می‌کنند تا مطمئن شوند که بیشتر قطرات کوچک قبل از برخورد با زمین منجمد می‌شوند.

سُر خوردن روی برف‌های دست‌ساز

برف طبیعی به صورت یک بلور کوچک یخ روی یک هسته یخی در یک ابر، حیات خود را شروع می‌کند. وقتی این بلور به هوا سپرده می‌شود و به سمت زمین می‌آید، به آرامی به دانه‌های برف شش وجهی تبدیل می‌شود.

در مقایسه، برف مصنوعی و ساخت بشر با یک قطره آب که به سرعت یخ می‌زند، ساخته می‌شود و برف حاصل، از میلیاردها توپ یخی کروی شکل تشکیل می‌شود.

برف مصنوعی ممکن است در پیست اسکی با چشم غیرمسلح شبیه به برف طبیعی باشد، اما برف طبیعی و مصنوعی بسیار با یکدیگر متفاوت هستند.

با توجه به این واقعیت که گلوله‌های یخی کوچک به صورت کاملا متراکم در کنار هم قرار می‌گیرند و ممکن است برخی از آنها تا زمانی که زمین را لمس نکرده‌اند، یخ نزده باشند، برف مصنوعی اغلب سفت و یخ زده و خشن است. اما از سوی دیگر، برف طبیعی که حالتی پودری شکل دارد، تقریباً احساس بی‌وزنی به اسکی بازان و اسنوبورد سواران می‌دهد و این نکته مهمی است، زیرا بلورهای طبیعی برف خیلی نرم روی هم چیده می‌شوند و یک لایه پودری شکل که ۹۵ درصد یا بیشتر حاوی هوا است، تشکیل می‌دهد.

در حالی که برف طبیعی و حالت پودری شکل آن چیزی است که اکثر اسکی بازان تفریحی رویای آن را دارند، اما اسکی بازان المپیکی سلیقه‌ متفاوتی دارند. آنها می‌خواهند بتوانند با بیشترین سرعت ممکن روی برف سُر بخورند و از چوب اسکی‌های نوک‌تیز خود برای چرخش‌های قدرتمند و کمک گرفتن‌های محکم استفاده کنند. شرایط متراکم و یخی برف مصنوعی در واقع از این نظر بهتر است.

در واقع، در شهرهای پربرف هم برگزارکنندگان مسابقات المپیک زمستانی اغلب آب مایع را به زمین‌های پوشیده شده از برف طبیعی اضافه می‌کنند تا یخ بزند و سطحی بادوام و ثابت را برای مسابقه‌ دهندگان فراهم کند.

ملاحظات دیگر شامل این واقعیت است که طوفان‌های برف طبیعی، میدان دید را محدود می‌کنند و شرایط سختی را برای مسابقه دهندگان رقم می‌زنند. ضمن اینکه بارش برف طبیعی اغلب مسابقات اسکی را لغو می‌کند. در حالی که برف مصنوعی یک آسمان صاف و شرایط آب و هوایی مناسبی را فراهم می‌کند.

اما برف مصنوعی و ساخته شده توسط انسان، معایب خود را نیز دارد. به نظر می‌رسد اسکی بازان و اسنوبورد سوارانی که از روی زمین پرش انجام می‌دهند یا برای اسکی پرش روی ریل می‌لغزند، به دلایل ایمنی، سطح نرم‌تر برف طبیعی را ترجیح می‌دهند. این موضوع در مورد اسکی بازان نمایشی نیز صدق می‌کند، چرا که خطرات برخورد و سقوط روی برف مصنوعی که سطوح یخی سفت و سختی را ایجاد می‌کند، می‌تواند منجر به مصدومیت‌های‌ بیشتری شود.

تقلید از طبیعت

در حالی که ورزشکاران المپیک نیازها و خواسته‌های متفاوتی از برف دارند، برای اکثریت اسکی بازان تفریحی، برف طبیعی به دلیل بلورهای پر از هوا به مراتب بهتر است و اسکی کردن یا اسنوبرد سواری روی آن بسیار نرم‌تر و لذت‌بخش‌تر است.

دانشمندان دهها سال است که در تلاش بوده‌اند تا برف نزدیک‌تری به برف طبیعی را بنا به تقاضا ایجاد کنند. اولین راهی که آنها سعی کردند با آن برف واقعی بسازند، بارور کردن ابرهای طبیعی با یدید نقره بود. هدف از این کار، افزایش رطوبت در ابرها بود که به بلورهای برف در حال سقوط تبدیل می‌شدند. اگر بتوان این فرآیند را که فرآیند وگنر-برگرون-فیندایسن(Wegener-Bergeron-Findeisen) نامیده می‌شود به شکلی آسان‌تر انجام داد، از نظر تئوری میزان بارش برف را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد.

اما در عمل، اثبات کارایی این روش دشوار است. با این حال، تلاش‌های اخیر با استفاده از مجموعه‌های بزرگ و دقیقی از ابزارهای جوی نشان داده است که بارور کردن ابرها با یدید نقره در واقع افزایش اندکی در مقدار کلی بارش برف ایجاد می‌کند.

در روش دیگر اما نیازی به بارور کردن ابرهای طوفانی نیست و شامل ساخت ماشین‌های برف سازی است که می‌توانند بلورهای طبیعی برف را پرورش دهند. دانشمندان دهه‌هاست که دانه‌های برف را در آزمایشگاه‌ها پرورش می‌دهند، اما این فرآیند ظریفی است و معمولاً محققان در هر زمان فقط می‌توانند چند دانه برف تولید کنند.

پیتر ویلز می‌گوید: از آنجایی که بلورهای یخ معمولاً به کندی رشد می‌کنند، برای محققان دشوار است که مقیاس این فرآیند را با میزان زیادی که برای رشد برف کافی برای اسکی لازم است، افزایش دهند.

وی افزود: اما من و همکارم تری آلوی(Trey Alvey) در تلاش برای تولید برف پودری شکل برای اسکی بازان و اسنوبورد سواران، فرآیندی را توسعه داده‌ایم که می‌تواند دانه‌های برف را در مقادیر بیشتری با استفاده از تکنیکی که فرآیند تشکیل بلور طبیعی را تقلید می‌کند، تولید کند. اکنون نیز ما در حال تجاری سازی آن از طریق شرکت خود به نام کوانتوم اسنو(Quantum Snow) هستیم.

اکنون شاهد آن هستیم که کوه‌های خشک و بایر میزبان المپیک زمستانی ۲۰۲۲ شده‌اند که تاکنون هیچ‌گاه مقصد اسکی سواری نبوده‌اند. اما به لطف علم برف‌سازی، ورزشکاران می‌توانند سواری قابل اعتمادی روی برف‌های مصنوعی داشته باشند.

در واقع همه طرفداران ورزش‌های زمستانی می‌توانند به خاطر این فناوری که به آنها امکان می‌دهد از تماشای این مسابقات تماشایی در هر کجا لذت ببرند، سپاسگزار باشند.