كيف تصنع الطبيعة الثلج
إحدى الأفكار الشائعة هي أن الثلج المصنوع بالآلة مصطنع. هذا ليس صحيحًا فعلا - في الواقع هو نفس الشيء الذي يسقط من السماء، فقط يتم إنشاؤه بواسطة آلة بدلاً من الظروف الجوية. تعمل الآلة بشكل مختلف جدًا عن نظام الطقس، ولكنها تحقق بالضبط نفس الشيء. لفهم كيف تصنع الآلات الثلج، من الجيد أولاً النظر في كيف يحدث الثلج بشكل طبيعي.
يأتي الثلج من بخار الماء في الغلاف الجوي. تتكون السحب عندما يبرد بخار الماء (الماء في شكل غاز) في الغلاف الجوي إلى الدرجة التي يكثف فيها - أي يتغير من غاز إلى سائل أو صلب. قطرات السحاب خفيفة لدرجة أن الهواء في الغلاف الجوي يبقيها في الهواء. إذا أصبحت القطرات ثقيلة جدًا، تقع في شكل هطول. إذا كان الطقس باردًا بما فيه الكفاية، فإن بخار الماء هذا لا يكثف كقطرات ماء سائلة، ولكن بدلاً من ذلك كبلورات ثلج صغيرة. في معظم أنحاء العالم، الأمطار عادة ما تبدأ كثلج ولكن تذوب أثناء سقوطها عبر الغلاف الجوي (إنه بارد جدا على مستوى السحاب، حتى في فصل الصيف).
بشكل غريب بما فيه الكفاية، الماء لا يتجمد تلقائيا في "درجة التجميد" - 32 درجة فهرنهايت / 0 درجة مئوية. يجب أن تبرد الماء النقي إلى درجة حرارة أقل بكثير (تصل إلى 40 فهرنهايت تحت الصفر / 40 مئوية تحت الصفر) لتفقده بما يكفي من الطاقة الحرارية لتغيير شكله. عادةً، مع ذلك، يتجمد الماء في سحابة حوالي 32 فهرنهايت / 0 مئوية بسبب عمل النويات، قطع صغيرة من المواد التي تحدث بشكل طبيعي تساعد جزيئات الماء على التجمع. النويات تجذب جزيئات الماء، مما يقلل من طاقتهم إلى النقطة التي يشكلون فيها بلورات الجليد. النويات في بلورات الثلج مجرد قطع من الأوساخ، البكتيريا وغيرها من المواد التي تطفو حول الغلاف الجوي. يكثف الماء على النويات، التي تصبح النواة - المركز - لبلورة الثلج. أثناء تحرك بلورة الثلج حول السحابة، تكثف المزيد من جسيمات الماء عليها وتتجمد في شكل بلورات. مجموعة البلورات الفردية تشكل ندفة الثلج. مع نمو الندفة أكثر ثقلًا، تقع نحو الأرض. إذا كان الطقس باردًا بما فيه الكفاية طوال الطريق لأسفل، فإن الندفة ستكون ما زالت متجمدة عندما تصل إلى السطح.
الثلج الصناعي
في القسم الأخير رأينا أن الثلج يتكون عندما يكثف بخار الماء في درجات حرارة باردة بما فيه الكفاية، غالبًا حول نويات، ويصبح بلورة ثلج. لذا، الأشياء الرئيسية التي تحتاجها لتصنيع الثلج هي الماء ودرجات الحرارة المنخفضة.
إنه يساعد العملية إذا مزجت نويات من نوع ما في إمداد الماء. سوف يحتوي الماء بالفعل على الكثير من الأشياء التي يمكن أن تعمل كنويات، ولكن زيادة العدد فكرة جيدة لأنها تضمن أن المزيد من قطرات الماء سوف تتجمد قبل أن تصل إلى الأرض. واحدة من النويات المستخدمة على نطاق واسع هي بروتين طبيعي يسمى Snomax وهو جيد جدا في جذب جزيئات الماء.
النوع التقليدي من مسدس الثلج ينتج قطرات الماء عن طريق الجمع بين الماء المبرد والهواء المضغوط. على منحدر التزلج، ستلاحظ أن هذه البنادق مرتبطة بخراطيم مختلفتين تعمل على محطات الصرف الصحي والهواء على التوالي. تتصل الصمامات بخطين مختلفين تحت الثلج أو حتى تحت الأرض. يضخ الأول ماء من بحيرة أو بركة أو خزان والآخر يضخ هواء عالي الضغط من ضاغط الهواء.
الهواء المضغوط له ثلاث وظائف رئيسية:
1. يرذاذ الماء - أي يعكر التيار بحيث ينقسم الماء إلى قطرات صغيرة كثيرة.
2. ينفث قطرات الماء في الهواء.
3. يساعد في تبريد قطرات الماء أثناء طيرانها في الهواء.هذه الخطوة الأخيرة هي مكافأة إضافية لاستخدام الهواء المضغ
وط. عندما يتم ضغط الهواء، يتم دفع جزيئات الهواء معا بإحكام، مما يعني أنها لا تتحرك كثيرا. عندما يتم إطلاق الهواء، تنتشر الجزيئات وتتحرك بحرية أكثر. هذا يعني أن الجزيئات تستخدم مزيدًا من الطاقة، وتمتص الحرارة من المنطقة المحيطة بها وبالتالي تبريد الهواء حول قطرات الماء.
نوع آخر شائع من آلة الثلج يسمى بندقية الثلج بدون هواء. تستخدم بنادق الثلج بدون هواء فوهات بسيطة (مشابهة لتلك التي تجدها على زجاجات الرش المنزلية) لرذاذ الماء إلى ضباب ناعم. ثم يتم نفخ قطرات الماء في الهواء بواسطة مروحة قوية. الفائدة الرئيسية لهذا التصميم هو أنك لست بحاجة إلى توصيل بندقية الثلج بمصدر الهواء المضغوط - كل ما عليك فعله هو توفير الماء ومصدر الطاقة. بعض التصميمات الأخرى لبنادق الثلج ترذاذ الماء بواسطة مراوح عالية السرعة فقط.
يتطلب تحويل الماء من سائل إلى صلب الكثير من الطاقة. يجب عليك إزالة حرارة الانصهار للماء، وهي الكمية الكبيرة من طاقة الحرارة المطلوبة لتحويل الجليد إلى ماء سائل عند 32 فهرنهايت (0 مئوية). إذا كانت الأحوال الطبيعية باردة بما فيه الكفاية، فستكون كافية لتجميد الماء. ولكن إذا كانت أقل من درجة التجمد قليلاً، قد تحتاج إلى مكونات إضافية لمساعدة العملية. بعض آلات الثلج لديها وحدات تبريد خاصة لتسريع عملية التجميد عندما لا تكون الظروف الطبيعية باردة بما يكفي للقيام بالمهمة.
لإعطاء الماء الوقت الكافي للتجمد قبل أن يسقط على الأرض، العديد من المنتجعات تستخدم أبراج بنادق الثلج. هذه مجرد أعمدة قوية ترفع بندقية الثلج فوق المنحدر. ميزة أخرى لهذا الإعداد هو أن بنادق الثلج يمكن أن تكون أقل إزعاجا للتزلج. والثلج يسقط من الأعلى، كما يحدث طبيعيا.
في معظم المنتجعات، يتراكم العمال كومة كبيرة من الثلج الصناعي ثم ينشرونها على طول الدرب باستخدام معدات تهيئة الثلج. الثلوج الجلادين ليست سوى جرارات بمسارات عريضة جدا تنشر الثلج حول وتضغط عليه لجعله ناعم. بالنسبة لمنتجعات التزلج، التجهيز المنتظم هو جزء أساسي من عملية صنع الثلج.
ظروف صنع الثلج
كما رأينا، الوظيفة الرئيسية لآلات صنع الثلج هي القيام بعمل السحب التي تنتج الثلج بشكل طبيعي في الغلاف الجوي. هذه الآلات لا تنتج الثلج في أي ظروف كانت، بل يجب أن تكون الأحوال الجوية المحلية مناسبة، تماما كما تحتاج إلى أحوال جوية محلية مناسبة لتصل الثلوج الطبيعية إلى الأرض وتبقى عليها. لتحديد متى يتم صنع الثلج، وللتأكد من الحصول على نوع الثلج الصحيح، تعتمد منتجعات التزلج على خبرة مشغلي آلات الثلج المحنكين، الذين يُطلق عليهم عادة اسم صناع الثلج.
فكيف يحدد صناع الثلج إذا كانت الظروف مناسبة؟ يتبين أنهم بحاجة إلى الكثير من المعلومات أكثر مما يمكنهم الحصول عليها من ميزان حرارة عادي. الميزان الحراري القياسي يقيس درجة حرارة الهواء الجاف؛ ولكن العامل الأكثر أهمية لظروف الثلج هو درجة حرارة البلب الرطب.
درجة حرارة البلب الرطب هي وظيفة لدرجة حرارة البلب الجاف والرطوبة النسبية، أي كمية بخار الماء في الهواء. الماء السائل أو الماء الصلب يبرد نفسه عن طريق تبخير بعض الماء كبخار ماء. هذا يطلق الحرارة، وبالتالي يخفض مستوى الطاقة في الماء. عندما يكون هناك المزيد من بخار الماء في الغلاف الجوي، لا يستطيع الماء أو الثلج التبخر بنفس القدر لأن الهواء مشبع بالماء بدرجة عالية. وبالتالي، يبرد الماء ببطء أكبر عندما تكون الرطوبة عالية، وبشكل أسرع عندما تكون الرطوبة منخفضة.
لهذا السبب، الرطوبة عامل مهم جدا في تحديد ظروف الثلج. إذا كانت نسبة الرطوبة منخفضة بما يكفي، يمكنك الحصول على الثلج حتى عندما تكون درجة حرارة البلب الجاف أعلى ببضع درجات من درجة التجمد. إذا كانت الرطوبة النسبية 100 في المئة، فإن درجة حرارة البلب الرطب ودرجة حرارة البلب الجاف ستكون متطابقتين تماما. ولكن حتى إذا كانت كلتاهما على درجة التجمد، قد تحصل على المطر بدلا من الثلج لأن التشبع بالهواء يبطئ عملية التبريد بشكل كبير.
إذا كانت الحرارة حوالي 30 فهرنهايت (ناقص 1 سيلسيوس)، فأنت بحاجة إلى نسبة رطوبة منخفضة نسبيا (أقل من حوالي 40 في المئة) لظروف صنع الثلج الجيدة. إذا كانت الحرارة أقل من 20 فهرنهايت (-6.7 سيلسيوس)، يمكنك صنع الثلج بسهولة حتى إذا كانت الرطوبة النسبية 100 في المئة. درجة حرارة في العشرينات مثالية لصنع الثلج.
الحصول على المزيج المثالي
إذاً، لقد رأينا أن الفكرة الأساسية لمدافع الثلج بسيطة جدا. ولكن، القيام بصنع الثلج يمكن أن يكون أكثر تعقيدا. يجب أن تكون درجة حرارة البلب الرطب منخفضة بما يكفي، ويجب على صناع الثلج التوازن بعناية بين مستويات الماء والهواء للحصول على النتائج المطلوبة.
هناك أنواع مختلفة تماما من الثلج. الفرق الرئيسي بين أنواع الثلج هو كمية الماء التي يحتوي عليها حجم معين من الثلج. غالبا ما يتحدث صناع الثلج عن الثلج الجاف والثلج الرطب. الثلج الجاف يحتوي على كمية نسبيا منخفضة من الماء، لذا هو خفيف ومسحوقي. هذا النوع من الثلج ممتاز للتزلج لأن الألواح تنزلق فوقه بسهولة دون العلق في الثلج الرطب.
الثلج الرطب أيضا يلعب دورا مهما في المنحدرات الجبلية للتزلج، ولكن. يستخدم أصحاب المنتجعات هذا الثلج الأكثر كثافة لبناء مستوى الثلج على المسارات المتنقلة جيدا. العديد من المنتجعات تبني عمق الثلج بهذه الطريقة مرة أو مرتين في السنة، ومن ثم تغطي المسارات بانتظام بطبقة من الثلج الجاف طوال الشتاء. الثلج الطبيعي يميل إلى أن يكون أكثر جفافا وأكثر تفتتا من الثلج الذي يتم صنعه بواسطة الآلات، ولكن معظم ممرات التزلج هي خليط من كلاهما.
الكثافة، أو الرطوبة، للثلج تعتمد على درجة الحرارة والرطوبة في الخارج، بالإضافة إلى حجم قطرات الماء التي أطلقتها المدفع. يجب على صناع الثلج ضبط نسب الماء والهواء في مدافع الثلج الخاصة بهم للحصول على الثبات المثالي للثلج لظروف الطقس الخارجية. نظراً لأن درجات الحرارة ومستويات الرطوبة تختلف بشكل كبير من نقطة إلى نقطة على منحدر التزلج، يجب على صناع الثلج ضبط كل آلة على حدة.
أصبحت هذه العملية أسهل قليلا مؤخرا مع ظهور تكنولوجيا جديدة. العديد من المنحدرات الجبلية للتزلج الآن تتحكم في مدافع الثلج الخاصة بها بنظام كمبيوتر مركزي مرتبط بمحطات قراءة الطقس في جميع أنحاء المنحدر. الكمبيوترات تقوم بتحديد أفضل مزيج من الثلج والهواء بناء على درجة الحرارة والرطوبة النسبية في نقطة معينة. هذه الأنظمة لا تحصل دائما على المزيج الصحيح، بالطبع، ولكنها مساعدة رائعة في صنع الثلج.
الاستخدامات الأخرى للثلج الصناعي
أكبر سوق لآلات صنع الثلج هو صناعة منتجعات التزلج. ولكن الثلج الصناعي له عدد من الاستخدامات الأخرى أيضا. على سبيل المثال، لعبت آلات صنع الثلج دورا كبيرا في العديد من إنتاجات الأفلام. غالبا ما يستغرق المنتجون السينمائيون عدة أشهر لتصوير مشاهد تحدث خلال فترة قصيرة من الأيام. إذا كانت الأفلام تدور في إعداد مثلج، يجب على مصممي الديكور الحصول على الكمية المناسبة من الثلج لكل يوم من التصوير. اعتمادا على الطقس، قد يعني ذلك ذوبان الثلج الطبيعي أو إضافة الثلج الصناعي.
استخدام آخر للثلج الصناعي هو لاختبار معدات الطائرات. نظرًا لأنها تطير عالياً جداً في الغلاف الجوي، يجب أن تكون الطائرات قادرة على الصمود في ظروف باردة جداً وثلجية جداً. تتيح آلات صنع الثلج لمصممي الطائرات اختبار كيفية تفاعل معدات الطائرات مع هذه الظروف.
هناك أيضًا سوق للمستهلك للآلات الصغيرة لصنع الثلج وخدمات الثلج الصناعي. بعض الملاك يدفعون مئات الدولارات لإعطاء حديقتهم ومنزلهم طبقة جذابة من الثلج لموسم عيد الميلاد، أو فقط لإعطاء الأطفال متعة خاصة. الأشخاص الذين يحبون حقا حديقة مثلجة يمكنهم الاستثمار في آلة صنع ثلج شخصية. هذه النماذج، التي تكلف مئات إلى آلاف الدولارات، تتصل بمضخة الهواء في المرآب أو مضخة غسيل القوة. تماما مثل آلات منحدرات التزلج، هذه النماذج تستخدم الكثير من الماء والكثير من الطاقة؛ ولكنها سهلة التشغيل إلى حد ما.
تكاليف صناعة الثلج
لتغطية عدة مسارات تزلج بالثلج الصناعي، تحتاج إلى الكثير من الماء. وفقًا لشركة SMI Snow Makers، يتطلب الأمر حوالي 75,000 غالون (285,000 لتر) من الماء لإنشاء طبقة من الثلج بسماكة 6 بوصات (15 سنتيمتر) تغطي منطقة 200 × 200 قدم (61 × 61 متر). يمكن للنظام في منحدر التزلج ذي الحجم الجيد تحويل 5,000 غالون (18,927 لتر) من الماء إلى الثلج كل دقيقة! يتم ضخ السائل من مصادر قريبة مثل البحيرات والخزانات.
تقول SMI أن حوالي 80 في المئة من هذا الماء يعود في النهاية إلى مصدره الأصلي، مما يجعل العملية فعالة جدا. ومع ذلك، يمكن أن يكون السحب الزائد من الخزانات في آن واحد له تأثيرات سلبية على الحياة البحرية المعيشة فيها، لذا يجب إدارة مستويات الماء بعناية.
مصدر قلق بيئي كبير، وواحد من أكبر النفقات للمنتجع، هو استهلاك الطاقة. إذا كان المنحدر يستخدم الهواء المضغوط في بنادق الثلج، يجب أن يوفر الكثير من الطاقة لتشغيل مضخات ضغط الهواء الكبيرة. كما يحتاج إلى نظام مضخات لتوفير الماء لصناع الثلج. غالبا ما تعمل هذه المضخات بمحركات الديزل، التي تطرح مستوى عالً من التلوث الجوي.
أصبحت المنتجعات الحديثة تقوم بتركيب مدافع الثلج بدون هواء لزيادة الكفاءة. ووفقا لمنتجع Snow Valley Mountain، تستهلك هذه الآلات حوالي 70 في المئة أقل من الطاقة مقارنة بتصميمات الضاغط القديمة. حتى مع التقدم التكنولوجي، لا يزال صناع الثلج يستغرقون الكثير من الطاقة للقيام بالمهمة أكثر مما تفعله السحب الطبيعية. تقدر Vail Resorts، التي تدير 17 منتجع تزلج حول الولايات المتحدة، استهلاكها الكلي للطاقة بنحو 310,000 ميغاواط-ساعة في عام 2019. هذا ما يعادل حوالي 30,000 منزل في الولايات المتحدة. لتخفيض التكاليف المرتبطة، تحولت العديد من وجهات التزلج إلى توربينات الرياح والألواح الشمسية لإنتاج الطاقة بشكل مستدام في الموقع.
بسبب تكلفة صنع الثلج، يجب على منتجعات التزلج تطوير استراتيجية جيدة لمتى وأين سيستخدمون آلاتهم. الكثير من العمل المتعلق بصنع الثلج هو مهمة توازن تكلفة تشغيل الآلات مع فوائد تمديد موسم التزلج. يتأكد صناع الثلج الفعالون من عدم إهدار الطاقة في صنع الثلج حيث لن يكون ذلك ذو فائدة، وهم حذرون جدا في صنع الثلج فقط عندما سيبقى.
كما رأينا، يتعين على صناع الثلج أن يأخذوا العديد من المتغيرات في الاعتبار لتغطية المنحدر بثلج التزلج المثالي. الفكرة وراء الثلج الصناعي بسيطة للغاية؛ ولكن الحصول على نتائج فعالة في الواقع هو إنجاز كبير. كما قال مدير الثلج المحترف بريندن رايان لمجلة Freeskier، "يصف العديد من صناع الثلج العمل كزواج معقد من العلم والفن - العناصر الأساسية هي القياسات الدقيقة للطقس والآلات الثمينة، ولكنك تحتاج إلى حدس وتأليف وإبداع للحصول عليه بشكل صحيح تماما."
أسئلة متكررة حول صنع الثلج
هل تصنع آلات الثلج ثلجًا حقيقيًا؟
ينتج بندقية الثلج التقليدية قطرات الماء عن طريق دمج الماء المبرد والهواء المضغوط.
كيف تحصل منتجعات التزلج على الثلج؟
في هذه الأيام، آلات صنع الثلج هي معدات قياسية في غالبية منتجعات التزلج حول العالم.
هل يمكنك صنع الثلج في الطقس الدافئ؟
تتيح لك آلات صنع الثلج إنشاء الثلج في الطقس الأكثر دفئا. ومع ذلك، مثل الثلج الطبيعي، إذا كانت الأحوال الجوية دافئة جدا أو رطبة جدا، سيذوب أي ثلج يتم إنشاؤه.
هل يمكنك استئجار ماكينة صنع الثلج؟
تقوم الشركات بتأجير آلات صنع الثلج، أو تقدم جلب آلات صنع الثلج إلى موقعك، مقابل ثمن.
عند أي درجة حرارة يمكن صنع الثلج؟
يتكون الثلج الطبيعي عند 32 درجة فهرنهايت أو أقل.