作者:沈春蕾 来源:中国科学报 发布时间:2022/1/22 18:30:04
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高山滑雪赛道是否合格?科学仪器来甄别

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研究人员用冰雪强度测量仪进行赛道测试。(南京天光所供图)

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研究人员用冰雪粒径测量仪测量注水雪样。(南京天光所供图)

冬奥会的传统赛事高山滑雪因兼具竞技性和观赏性,被誉为“冬奥会皇冠上的明珠”。位于北京延庆的国家高山滑雪中心设7条雪道,雪道坡度大、落差大,对“雪”和“赛道”的要求都非常高。

日前,《中国科学报》记者从中国科学院南京天文光学技术研究所(以下简称南京天光所)获悉,该所南极天文技术团队和中国气象科学研究院共同研发了专门检测赛道质量的冰雪粒径测量仪和冰雪强度测量仪,将高山滑雪赛道的检测由过去以人工经验为主,改为用科学仪器定量检测。

冰状雪赛道要求高

高山滑雪赛事大多采用冰状雪赛道,什么是冰状雪呢?南京天光所副研究员温海焜介绍,高山滑雪赛道表面必须保持结晶状态,近似于冰面,这种雪被称为冰状雪,可减小雪板和雪道之间的摩擦力,使得雪道不易被破坏。

另外,不同的比赛项目,比如竞技和竞速对于冰状雪赛道的要求也不一样,但都要求在运动员高速转弯的情况下雪道表面保证平整光滑,确保选手不论第几个出场,雪道的状态都处于相对完美状态,进而保证比赛的公平性。

为了打造出符合国际标准的冰状雪赛道,“科技冬奥”重点专项2020的“不同气候条件下冰状雪赛道制作关键技术”项目团队经过多次技术攻关演练,在较短的时间里,熟练地掌握了制作冰状雪赛道的注水量、低温板结时间等关键技术。

“冰状雪赛道的制作首先要通过雪地车将基础雪面压实压紧,然后再进行注水制作。”作为项目团队成员,温海焜告诉《中国科学报》,如果冰状雪比较软,运动员滑行时就会陷在雪里面;如果冰状雪特别硬,运动员在滑行过程中很容易受伤。

因此,冰状雪赛道既要求有一定的强度,又要求有一定的弹性和抓地力。

形成注水最佳方案

冰状雪制作首先需要通过雪地车将基础雪面压实压紧,然后再进行注水,注水板结一定时间后水分下沉,再由人工一遍一遍地清除直至形成光滑的雪道。

过去,判断冰状雪赛道是否合格的通常做法是,由裁判员在赛道上踩一踩、滑一滑,凭经验作出判断。

“科技冬奥”专项希望通过科学指标,为冰状雪赛道制作标准提供参考依据。冰雪粒径测量仪和冰雪强度测量仪在设计上充分考虑了人工造雪的特殊情况就,可以用于测量冰状雪面软硬程度。

2020 年 11 月至 2021 年 3 月,南京天光所南极天文技术团队在冬奥会举办地北京延庆、河北张家口以及黑龙江哈尔滨亚布力冬季体育训练基地,对不同气候条件、不同注水强度的冰状雪赛道进行了粒径及冰雪强度测试,获得了不同深度冰雪粒径变化图和冰雪强度变化图。

"在不同的天气情况下制作标准的冰状雪赛道,注水强度和时间都有所不同。" 温海焜表示,尤其是每年2~3月,北京延庆、河北张家口等地方的温度相对比较高,冰状雪赛道的注水方案也需要做相应的调整。冰雪粒径测量仪和冰雪强度测量仪就是用于检测这些注水方案是否合适

“冰雪粒径测量仪重约2公斤,冰雪强度测量仪重约10公斤,虽然上山有缆车,但下山就苦了不会滑雪的我们,几乎是半滚着下来。”温海焜等人最终克服困难,提供了准确的实验数据,帮助项目团队形成最佳注水方案。

保证南极望远镜地基稳定

温海焜告诉《中国科学报》,冰雪粒径测量仪和冰雪强度测量仪的研制初衷是用于检测我国南极昆仑站地区的冰雪地基承载力,未来将有一台2.5米大视场高分辨率光学红外望远镜在昆仑站架设。

昆仑站所在的南极“冰盖之巅”——冰穹A,是南极冰盖的最高点,最低气温-81.5℃,年平均温度-58.7℃,是世界年均温度最低的地区。冰穹A地区空气稀薄,含氧量仅为内陆的60%左右,被学者称为“不可接近之极”。

“昆仑站有着非常优良的天文观测条件,是极佳的天文观测台站,目前已经在此安置了三台光学望远镜。”温海焜介绍,“2.5米大视场高分辨率光学红外望远镜需要架设在15米高的塔架上,我们要确保望远镜的晃动小于微米级,进而保证天文观测的准确性。

昆仑站的雪层厚度近4000米,自然雪的密度、强度如果不经过处理的话,是无法满足望远镜假设地基要求的。另外,南极冬夏季温差较大,夏季的冰面地基因温度上升会松动。

“为此,在架设望远镜前,我们需要对地基进行加固和隔热处理,以保证地基稳定。这就需要用到冰雪粒径测量仪和冰雪强度测量仪。”温海焜说,南京天光所南极团队从2018年就开始相关测试和研究工作,研制出原理样机,并在“科技冬奥”专项中率先使用。

他透露,未来两个仪器还将进一步应用于南北极,冻土圈,比如极地机场修建、雪的光反射率测算等。

 

 
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