南極望遠(yuǎn)鏡地基檢測為中國冰雪健兒保駕護(hù)航

高山滑雪項(xiàng)目作為“冬奧會皇冠上的明珠”，追求技術(shù)、勇氣、速度、身體素質(zhì)的綜合角逐。北京冬奧會開賽以來，有“雪飛燕”之稱的國家高山滑雪中心，助力運(yùn)動員取得了運(yùn)動佳績，也得到各界好評。

在高山滑雪男子滑降比賽中，挪威選手塞耶斯泰德創(chuàng)造了本場比賽最快時速，瞬間時速高達(dá)139.71公里。

如何助力運(yùn)動員高速、安全滑行，又如何保證比賽的公平性，使前后出發(fā)的滑雪運(yùn)動員的賽道雪質(zhì)狀態(tài)一致，這對賽道的建設(shè)要求頗高。

2020年起，中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所(以下簡稱南京天光所)和中國氣象科學(xué)院的科研團(tuán)隊(duì)不斷攻堅(jiān)克難，自主研發(fā)粒徑檢測儀和冰雪強(qiáng)度檢測儀，為冰狀雪賽道“體檢”，努力為運(yùn)動員高速滑行、減少運(yùn)動損傷提供技術(shù)保障。

“看著運(yùn)動員不斷創(chuàng)造好成績，再辛苦也值得。”同一片賽場，實(shí)現(xiàn)同一個夢想，讓南京天光所副研究員溫海焜既自豪又欣慰。

值得關(guān)注的是，這些檢測設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)，脫胎于我國在南極冰穹A地區(qū)的天文望遠(yuǎn)鏡地基檢測。在本屆冬奧會上，這些技術(shù)率先得到驗(yàn)證。

粒徑檢測儀和冰雪強(qiáng)度檢測儀助力賽道達(dá)標(biāo)

“高山滑雪比賽采用的是冰狀雪賽道，這種賽道可謂雪道的‘高速公路’。”溫海焜告訴科技日報(bào)記者，冰狀雪不同于天然雪，雪的表面有一層薄的硬冰殼，可減小賽道表面對于滑雪板的摩擦力。冰狀雪賽道分為競技和競速兩種，競技賽道要求高，雪密度一般在600-700千克/立方米左右，而競速賽道一般約為550-600千克/立方米。

賽道鋪設(shè)完成后，是否能滿足比賽需要，就需要粒徑檢測儀和冰雪強(qiáng)度檢測儀來“體檢”了。

“粒徑檢測儀中的近紅外激光經(jīng)過粗糙的雪道表面時，會被無規(guī)律地向各個方向反射，造成激光強(qiáng)度減弱。激光減弱程度跟雪道表面的粗糙程度相關(guān)，而粗糙度是由冰狀雪粒徑?jīng)Q定的。”溫海焜解釋，粒徑是冰狀雪強(qiáng)度的表征，粒徑越小，分子排列就越緊密，雪道的強(qiáng)度就越大，一般來說，毫米級的粒徑比較理想。而通過激光的變化，就可以判斷出冰狀雪的粒徑是否符合賽事要求。

冰雪強(qiáng)度檢測則是反映賽道質(zhì)量的另一個重要指標(biāo)。“如果雪道硬度大，那么運(yùn)動員不論第幾個出場，雪道的狀態(tài)都是相對完美的，保證了比賽的公平性;賽道又要有類似于塑膠跑道的特點(diǎn)，兼具有抓地力與彈性，確保運(yùn)動員在滑行、跳躍時不受傷。”

溫海焜介紹，冰雪強(qiáng)度檢測儀會將探針打入冰狀雪賽道內(nèi)部，通過低溫傳感器讀取探頭受到的反作用力，就能得出賽道不同深度的的硬度。

一年多來，團(tuán)隊(duì)成員數(shù)次前往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(xùn)練基地，對冰狀雪賽道進(jìn)行測試，獲得了不同深度冰雪粒徑變化圖和冰雪強(qiáng)度變化圖，助力賽道達(dá)標(biāo)。

關(guān)鍵技術(shù)發(fā)軔于南極望遠(yuǎn)鏡地基檢測

如果不是冬奧會，這套檢測技術(shù)究竟能不能爆發(fā)“小宇宙”還是未解之謎。溫海焜坦言，這些技術(shù)最初是為我國搭建南極冰穹A地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡地基準(zhǔn)備的。

南極冰蓋最高點(diǎn)冰穹A，是地球上最好的天文觀測地點(diǎn)之一。我國在該地區(qū)已建有昆侖站，并安置了三臺光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，取得了一批前沿觀測和研究成果。

“未來，我國還將增設(shè)一臺2.5米大視場高分辨率光學(xué)紅外望遠(yuǎn)鏡。為了獲得好的觀測效果，盡量減少氣流的影響，所以望遠(yuǎn)鏡要架設(shè)在15米高的塔架上，因此雪面地基要非常穩(wěn)固。”2017年，溫海焜和團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了國家自然科學(xué)基金“Dome A 地區(qū)望遠(yuǎn)鏡基墩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究”。

擺在科研人員面前的一大難題是，雖然南極冰穹A的冰芯厚約4000米，但南極季節(jié)溫差大，冬天溫度最低可達(dá)約零下80℃，而夏天可達(dá)零下40℃左右。如果冰面浮動，架設(shè)天文望遠(yuǎn)鏡的地基就會松動。

如何選擇穩(wěn)固的冰面就顯得尤為重要，近年來，南京天光所南極團(tuán)隊(duì)不斷就昆侖站地區(qū)的冰雪地基承載力進(jìn)行測試和研究，項(xiàng)目于2020年結(jié)題。

但讓溫海焜沒有想到的是，冬奧的到來，讓冰雪粒徑檢測儀和冰雪強(qiáng)度檢測儀的關(guān)鍵技術(shù)率先用在了冬奧會上，但因?yàn)槭褂铆h(huán)境不同，儀器研發(fā)之初并不順利。

“一開始我們按照自然雪的狀態(tài)研發(fā)設(shè)備，但測試時發(fā)現(xiàn)冰狀雪賽道的雪密度高、更硬一些，儀器無法貫穿賽道測量。”溫海焜和團(tuán)隊(duì)調(diào)整參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)對不同氣候條件、不同注水強(qiáng)度的冰狀雪賽道進(jìn)行分別測試。

“在不同天氣下制作冰狀雪賽道，注水強(qiáng)度和時間都不同。如果注水強(qiáng)度大了，水流塊、水溫溫度高，冰面上層就會變軟;而如果注水時間長了，冰面又會變硬。”溫海焜表示，通過檢測和分析研究，團(tuán)隊(duì)給出了在不同氣候條件下制作質(zhì)量最佳的冰狀雪賽道的具體方案，為賽事提供支撐。

“未來，我們也還將繼續(xù)冰狀雪賽道的研究，為中國冰雪健兒保駕護(hù)航。”溫海焜說。(科技日報(bào)記者 金鳳)

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