如何檢測冰狀雪賽道質量？看科學家利器出鞘助力“科技冬奧”_風聞

高山滑雪最高時速達248km/h，滑雪賽道也需要“塑膠跑道”

“更快，更高，更強”是奧林匹克的口號，充分反映了奧林匹克運動所倡導的不斷進取、永不滿足的奮鬥精神。奧運會紀錄的頻頻打破，不但有運動員的刻苦訓練，教練員的辛勤指導，科技尤其是對於運動場地的科技提升也扮演了重要的角色。就拿大家熟悉的田徑運動場而言，最初的跑道是煤渣跑道（相信很多70後、80後的老夥伴們都跑過吧），後來改成了人工合成的塑膠跑道，與煤渣跑道相比，其彈性好，吸震能力好，為運動員的發揮和成績的提高提供了物質基礎。在1968年的墨西哥奧運會上，在首次使用的塑膠跑道賽場上創造了諸多的奧林匹克紀錄。

2022年中國北京即將舉行冬季奧林匹克運動會，中國提出了“科技冬奧”的概念，中國冰雪運動必須走科技創新之路。高山滑雪比賽是冬季奧運會的重要組成部分，被譽為“冬奧會皇冠上的明珠“。高山滑雪的觀賞性強，危險性大，比賽時運動員最高時速可達到248km/h。高山滑雪比賽均採用冰狀雪賽道。

高山滑雪項目（圖片來自網絡）

什麼是冰狀雪？所謂冰狀雪，是指滑雪場的雪質形態，其表面有一層薄的硬冰殼，用於減小賽道表面對於滑雪板的摩擦力。可以説冰狀雪賽道就是高山滑雪項目的塑膠跑道，其製作的質量對提高運動員的成績及滑雪的舒適感，保護運動員的身體，延長運動壽命有着十分重要的作用。看似簡單的冰狀雪賽道，製作起來卻大有講究。

冰狀雪的製作過程十分複雜，目前採用的是向雪地內部注水的方案。但是注水的強度和注水的時間把握需要根據不同的賽道地點以及當時注水時的氣温進行相應的調節，以保證冰狀雪賽道既有一定的強度，又有足夠的彈性，使得運動員能夠在高速的高山滑雪比賽中舒暢的進行滑降、迴轉等比賽項目。與田徑場塑膠跑道不同的是，每次比賽每一個運動員在進行高山滑雪比賽時，由於技術動作的需要，都或多或少的會對冰狀雪的賽道產生一定損傷，為了保證比賽的公平性，前後出發的滑雪運動員的賽道雪質狀態需要保證一致，因此冰狀雪賽道還需要有一定的厚度以及均勻性。

研製新型冰狀雪測量儀器，保障賽道質量

既然冰狀雪賽道有如此多的要求，那麼過去是如何判斷冰狀雪賽道的雪質的呢?主要是採用人工判斷的方法，即找一些有經驗的裁判員用探針安裝在電鑽上進行觸探工作，通過觸探工作反饋的手感判斷冰狀雪賽道的建造質量。這種帶有一定“盲盒”性質的判斷工作往往會顯得很不透明，也不利於這項運動的推廣。

助力2022北京冬奧會，依託科技部國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項2020的“不同氣候條件下冰狀雪賽道製作關鍵技術”項目，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共同合作研發了用於判斷冰狀雪賽道質量的冰雪粒徑測量儀和冰雪硬度測量儀，其目的在於將冰狀雪質量的人工主觀判斷，變成清晰可見的客觀物理數據，通過對這些物理數據的科學分析，結合有經驗的運動員的滑雪體驗，掌握不同地點，不同天氣條件下冰狀雪賽道的製作方法。主要有如下兩種儀器：冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀。

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。那麼如何測量積雪的顆粒呢，科研人員採用漫散射原理：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的測量出冰雪的顆粒大小。

冰雪粒徑自動測量儀測量注水雪樣  

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，並讀取探頭受到的反作用力的大小來判斷冰雪的硬度條件。該方法的好處是可以做到基本無損的對賽道進行冰雪硬度的測量，不影響賽道的後續使用，並且可以通過讀取力和冰狀雪深度的曲線瞭解冰狀雪賽道的均勻性。針對高山滑雪的賽場坡度較陡，人工攀爬十分困難，科研人員在儀器的便攜性上做了特殊的設計，設計了一款摺疊式的硬度測量儀，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。

冰雪硬度測量儀現場工作照片

科研人員攀爬陡峭山坡測量

2020年11月-2021年3月，抓住冬奧會舉辦前的最後一個冬季的機遇，在冬奧會舉辦地北京延慶、河北張家口以及黑龍江哈爾濱亞布力冬季體育訓練基地對不同氣候條件、不同注水強度的冰狀雪賽道，使用研製的冰雪粒徑自動測量儀和冰雪硬度自動測量儀進行了粒徑及冰雪硬度測試，獲得了不同深度冰雪粒徑的變化圖以及不同深度的冰雪硬度的曲線圖。

冰狀雪賽道壓強-深度關係圖

該項目的首席科學家，中科院西北研究院冰凍圈科學國家重點實驗室副主任王飛騰研究員認為“雪粒徑及硬度計等新型冰雪儀器的研究，將過去以人工經驗為主的冰狀雪賽道狀態判斷變為了客觀、清晰的科學指標，為冰狀雪賽道製作標準的透明化提供了參考依據”。項目攻關團隊的帶頭人，國際冰凍圈科學協會副主席，中國氣象科學研究院丁明虎研究員認為“雪粒徑和硬度計的設計充分考慮了不同於自然雪的人工造雪的特殊情況，儀器在項目工作中表現優異，性能穩定，可靠性高。”

未來將在南極天文台發揮作用

冰雪強度、硬度的測量不僅可以應用於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。遙遠的南極雖然不是適合人類居住的地方，但是卻有着良好的天文觀測條件。根據2020年在 Nature 上發表的一篇文章，證明崑崙站所在的冰穹A地區的光學天文觀測條件優於已知的其他任何地面台址。

這項研究成果確認了崑崙站有珍貴的天文觀測台址資源，為我國進一步開展南極天文研究奠定了科學的基礎。但是如何在南極地區安裝大型望遠鏡又有很多實際的困難，其中之一就是普通的大型望遠鏡的基墩都是直接安裝在地球的基岩上，這樣基墩比較紮實穩固，能保證望遠鏡在觀測時不會因為地基不穩產生晃動，但是冰穹A地區的冰大約有4000m那麼厚，相當於1500層樓房那麼高，如果再想將望遠鏡基墩打入基岩顯然難以做到。

那麼大型望遠鏡如何能夠平穩的佇立在南極浮動的冰蓋上呢？這就需要科學家們對冰穹A地區的冰雪進行特殊的加固處理，使其能夠滿足基墩的設計要求。在加固處理完後，我們的雪粒徑和硬度測量儀就可以對加固後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。

來源：中國科學院國家天文台南京天文光學技術研究所