冬奧的冰雪是怎麼凍出來的？它竟然有這麼玄學的「癖好」？

知識 02-18

Maya Wei-Haas/作

錦衣Reload/譯

vicko238、Ent/校

luna/編輯

在製冰界，有一個流傳已久的傳說——音樂可以幫助冰結晶。

2014年索契冬奧會上，製冰大師迪米特里?格里戈里耶夫（Dimitri Grigoriev）在鋪設冰道的時候就播放了維爾瓦第的《四季》：「這樣冰會用更合適、更硬實的方式結晶化。」他告訴美國公共廣播電視台（NPR）。

等一下！如果這事兒是真的，那在聽到《四季》里《夏》樂章的時候，冰不會融化嗎？

NPR的記者可能也有同樣的疑惑，所以他們回去後仔細查閱了資料。結果他們沒找到任何科學依據，只能把這事歸結為製冰界的民間傳說。

維瓦爾第：我就靜靜地看著你們瞎折騰。圖片來源：Wikipedia

奧運用冰，沒那麼簡單

同為製冰大師的特雷西·塞茨（Tracy Seitz）就對這種迷信嗤之以鼻。「如果我們要做些什麼，那我們很可能會播點重金屬音樂。」這樣，他的員工就可以在艱苦的工作時間裡「保持清醒並且努力工作」。

塞茨之所以用艱苦來形容這項工作，是因為製造冰塊需要做的事情比人們想的要複雜得多。

在分子水平上，奧運會項目上的冰雪和用來堆雪人的、堵在你門前的和讓沒準備的人在車道上打滑的東西完全一樣。但是，所有製冰的水，都是在比賽前經過幾個月精心調整的，以使這些結冰形態的水達到最優狀態。

羽生結弦在本次冬奧上的四周跳

「這不僅僅是一塊巨大的冰，跟你通常想到的，比如家裡冰箱中冰塊的那種不一樣。」在猶他大學研究冰結構的數學家肯尼思?戈爾登（Kenneth Golden）說，「這是一種比人們通常以為的要有趣、複雜得多的物質。」

製冰，水的純度超重要

製作任何滑冰場或冰道需要的冰的第一步是提純水，去除溶解在其中的固體，比如鹽和礦物質。在滑冰場或者冰道中，雜質會聚集在晶體之間或者被擠到表面，造成冰中的多處微小脆弱點。水越純凈，冰面就越平滑穩固。

製冰大師們把冰塑造成了地球上最了不起的結構之一。在距奧運會至少一年前，他們就在混凝土賽道或者滑冰場上噴了上百層極薄的超純水，再用一個內置的快速冰凍系統進行冷凍。供有舵雪橇比賽使用的冰道，需要花費大約5天的連續作業才能鋪好，塞茨說。

濕潤的空氣凍結在冰面時，會形成霜層，而這個過程可以防止霜層的形成。霜層會捕捉冰里的空氣泡，而這些氣泡向外移動時會形成小凹痕。

一位製冰大師在檢查冰面。圖片來源：Patrick Semansky/AP

冰是固體，但也在「流動」

「我們不把冰當成液體，但是它們的流動性非常好，無時無刻不在流動。」塞茨說，「這些冰里的空氣層會造成薄弱點，可以逃出去讓冰面變得不再穩定。」對於有舵雪橇比賽來說，一個小小的凹痕就可能導致顛簸，加深事故風險。「一次撞擊變成兩次撞擊，兩次撞擊再變成三次撞擊，然後一直持續下去。」

其他冰上項目比如曲棍球、滑冰以及冰壺使用了相似的精細構層法。但是對於每一項運動來說，理想的冰的溫度和厚度是不一樣的。比如滑冰需要最厚和最暖的冰：大約5厘米的冰面及溫和的-4℃的溫度。這讓滑冰者們可以將冰鞋鉤在冰上，完成對抗重力的跳躍、旋轉。

中國花滑運動員金博洋在本次冬奧上的短節目《卧虎藏龍》

這些魔力並不僅僅來自於人的改造，還來自於冰本身的性能。在冰的邊緣，冰中的水分子不是像中心部分的水分子一樣牢牢固定成蜂巢狀，而是形成了類似於液體的層。這種「預融層」可以潤滑冰面，同時賦予冰獨特的溜滑質地。冰鞋或冰刀施加在一道冰面上的尖銳壓力，可以略微降低冰的融點，有助於光滑水層的形成。冰面上因為冰刀摩擦力造成的輕微融化，也為這種冰水混合物添加了液體。

雪花，會減緩運動員速度

在冰雪運動中讓速度最慢的環境，也是休閑滑雪愛好者們最喜歡的東西：剛落下來的雪末。

與因水凍結而形成的冰不同，雪是在「過冷」或是剛好在冰點以下時候，由大氣中的水分或者水蒸氣結晶形成的。水蒸氣必須與其他物體相接觸，才能開始結晶，比如說一些灰塵的微粒。否則，造雪就需要極度的寒冷——在-30℃以下，冰晶體才能單獨形成雪花。

一旦成雪開始，晶體就會吸引其他過冷的水蒸氣組成錯綜複雜的雪花。但雪花美麗的稜角對滑雪板來說太過粗糙，會減緩奧運選手的速度。「它的表面不均勻，即使在顯微層面上講也是如此。」薩拉?康納德（Sarah Konrad）說。她是冰川學博士，也是美國歷史上首個獲得兩項不同冬季賽事參賽資格的女性。

圖片來源：Merriam-Webster

變形的雪花，更加圓潤

一旦雪花觸碰到地面，這些雪花的結構就開始變化。除了風和其他物理作用力的影響之外，雪花本身也會隨著時間而慢慢變形，變得越來越緊湊圓潤。「它從這種羽毛狀的精巧晶體變成了一種像滾珠軸承的東西，」康納德說，「這樣速度就可以變快很多，因為雪花的邊緣已經不那麼粗糙了。」

有些賽道建造專家甚至更喜歡人工雪花。他們說人工雪花有一種「舊雪」感，不需要像自然雪花一樣等待時間的流逝來獲得這種特質。

這種雪花是通過在場館內噴射細水霧和壓縮空氣製造的。空氣的膨脹能使霧氣冷卻並讓它們保持在高處，確保有足夠的冷凍時間。這樣晶體就缺乏形成複雜六翼狀雪花的條件和時間，康納德說，所以最終的形狀是可預測的，這讓場館建設變得更容易。

微觀雪花。圖片來源：Vadym Cherenko / Alamy

賽道維護：細緻的長期工作

然而對於高山賽道的建設，需要做很多工作來保證賽道能達高速且耐用。工程師常常弄濕表層讓賽道重新冷凍。但是如果雪太濕或者空氣過於溫暖，那麼賽道會很快變得滿是劃痕、七零八碎。在奧運會到來之前，負責維護雪道的人花費數月的時間照看賽道的運行效果——不間斷地塑形、重塑賽道的每個坡道、角落，以達到穩固、高速的賽道和冰層的完美平衡。

當然，有時候突如其來的壞天氣是無法避免的。2014年索契冬奧會就遭遇過這件事，那時過於溫暖的環境導致賽道變得崎嶇坑窪，雪呈粒狀或者說像「糖」一樣了。在單板滑雪U形池的比賽中，有超過一半的選手在資格賽時摔落。兩屆奧運會獎牌得主漢納?泰特（Hannah Teter）說這個賽道「危險」又「糟糕」。

成功的和撲街的單板滑雪

對於越野滑雪比賽，康納德說，「在溫暖的環境下，你上的蠟和蠟的結構，會變得非常重要。」各種各樣的組合蠟會用在滑雪板的底部，有助於它們在雪上順暢滑動。如果你用了錯誤的蠟，「你真的能搞砸一切。」

滑雪隊會在滑雪蠟技師身上，花費非常多的金錢和時間。這些技師會在距離奧運會開幕兩年前就被派去賽道，掌握環境變動的範圍，和針對每種條件的最佳滑雪蠟選擇。

熨燙滑板蠟。圖片來源：ellis-brigham.com

雪上項目的窘境：氣候變暖降雪少

隨著氣候變暖和部分地區的降雪越來越少，冬季戶外運動面臨威脅。在索契，組織者製造的雪足夠去覆蓋1000個足球場，人們用瑜伽墊般的隔熱毯子蓋住這些大量成堆的雪花。隨著人工造雪技術和存雪技術一年年的進步，這樣的修復方案也許會在未來的冬奧會中變得越來越重要。

索契冬奧會，用隔熱毯覆蓋保存的雪。圖片來源：ABC News

平昌低溫，也不一定是好事

幸運的是，平昌冬奧會不用擔心這個問題。在2月，平昌的風冷指數常常在個位數上盤旋。事實上，平昌冬奧會的溫度甚至降到某些運動的最佳溫度之下。塞茨說，對於有舵雪橇運動當溫度低於-5℃時，冰會特別容易碎。康納德說，越野滑雪的「快樂溫度」大約是-4℃，更冷的溫度會讓雪變得乾燥、速度也會被減緩。

康納德淡定地看待賽道上可能遭遇的各種雪況。「從一個滑雪者的角度出發，『最好的』雪是不存在的，只要雪道在那裡，並且所有選手的使用時的條件相仿，我們通常就會非常開心了。」她這樣說道。

但是只要冬季競賽存在，一絲不苟的製冰大師們在製造賽場時，就不會漏過任何一個影響比賽的因素和條件。

編譯來源

Smithsonian. The Slick Science of Making Olympic Snow and Ice