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人工降雪とは、「スノーガン」（別名「スノーキャノン」）と呼ばれる装置を通して水と加圧空気を送り込むことで雪を作り出す技術です。人工降雪は主にスキー場で、天然雪を補うために使用されます。これにより、スキー場は積雪の安定性を高め、スキーシーズンを晩秋から早春まで延長することができます。屋内スキー場でも人工降雪が利用されています。屋内スキー場は空調管理された環境にあるため、一般的に年間を通して人工降雪を行うことができます。
気候変動や屋内スキー場の人気上昇に伴い、自然の降雪量を超える雪への需要が高まったため、人工降雪機の利用が一般的になってきている。人工降雪機は雪の供給不足を解消する役割を果たしてきたが、人工的に雪を作り出すことには大きな環境コストが伴う。
欧州環境庁によると、北半球の積雪期間は1970年代以降、10年ごとに5日間ずつ短縮しており、人工雪の需要が高まっている。スキー場の中には、スキーシーズンを延長し、自然降雪を補うために人工雪を使用しているところもあるが、人工雪の製造にほぼ完全に依存しているところもある。[ 1 ] 2014年のソチ冬季オリンピック、2018年の平昌冬季オリンピック、 2022年の北京冬季オリンピックでは、自然降雪を補い、競技に最適なコンディションを提供するために、人工雪が広く使用された。[ 2 ]
雪を作るには低温が必要です。人工降雪の閾値温度は湿度が低下するにつれて上昇します。湿球温度は気温と相対湿度を考慮した指標として用いられます。湿球温度は常に外気温よりも低くなります。空気が湿っているほど、吸収できる水分は少なくなります。大気中の湿度が高いほど、小さな水滴を雪の結晶に変えるにはより低い温度が必要になります。
例：
人工降雪システムを始動するには、湿球温度が-2.5 ℃（27.5 °F）必要です。大気湿度が非常に低い場合は、0 ℃（32 °F）をわずかに上回る温度でこのレベルに達することができますが、空気湿度が高い場合は、より低い温度が必要です。氷点付近の温度は、境界温度または限界温度と呼ばれます。[ 3 ] 湿球温度が下がると、より多くの雪をより速く、より効率的に生成できます。
人工降雪はエネルギーを大量に消費するプロセスであり、環境への影響も伴うため、その利用は必然的に制限される。
最初の人工雪の結晶は、中谷浮一郎が最初の試みから3年後の1936年に作られた。[ 4 ]
アメリカ人のアート・ハント、デイブ・リッチー、ウェイン・ピアースは1950年にスノーキャノンを発明したが[ 5 ] [ 6 ]、特許を取得したのはその後しばらく経ってからだった[ 7 ] 。 1952年、グロッシンガーのキャッツキル・リゾート・ホテルは世界で初めて人工雪を使用した[ 8 ] 。 1970年代初頭には人工降雪が広く使われるようになった。多くのスキーリゾートは人工降雪に大きく依存している。
人工降雪技術は、複雑化に伴い効率性が向上してきた。従来、人工降雪の品質は機器操作員の技量に依存していた。今日では、コンピューター制御によってその技量が補完され、より高い精度で操作が可能となり、人工降雪機は最適な条件下でのみ作動するようになっている。
人工降雪における重要な考慮事項は、水とエネルギーの効率を高めること、そして人工降雪が可能な環境条件の範囲を広げることである。
人工降雪プラントには、大型で高価なウォーターポンプ（ランスを使用する場合は空気圧縮機も必要になる）が必要です。人工雪を作るのに必要なエネルギーは、ランスの場合は約0.6～0.7 kW h / m 3、ファンガンの場合は1～2 kW h / m 3です。人工雪の密度は400～500 kg/m 3で、雪を作るための水の消費量はほぼその数値に等しくなります。[ 9 ]
人工降雪は、川や貯水池などの水源から始まります。ポンプ小屋にある大型電動ポンプを使って、山のパイプラインを通して水が汲み上げられます。この水は、複雑なバルブとパイプのネットワークを通して、人工降雪が必要なコースに分配されます。ほとんどのリゾートでは、できるだけ多くの水が凍結して雪になるように、核生成剤も添加します。これらの核生成剤は、水分子が氷の結晶になるのに適した形状を形成するのを助ける有機物または無機物です。これらの核生成剤は無毒で生分解性です。
人工降雪プロセスの次のステップは、空気プラントを使用して空気を供給することです。このプラントは、多くの場合、バンやトラックほどの大きさの電気式またはディーゼル式の産業用空気圧縮機を収容する建物です。ただし、場合によっては、システムに追加できるディーゼル駆動のポータブルトレーラー搭載型圧縮機を使用して空気圧縮が行われます。多くのファン式スノーガンにはオンボードの電気式空気圧縮機が搭載されており、より安価でコンパクトな運転が可能です。スキー場には必要な高出力のウォーターポンプがあっても、エアポンプがない場合があります。オンボードコンプレッサーは、専用のポンプ室を設けるよりも安価で簡単です。空気は通常、プラントから送られる前に冷却され、余分な水分が除去されます。システムによっては、水がシステムに入る前に水を冷却するものもあります。空気と水の熱が少ないほど、水を凍らせるために大気に放散する必要のある熱が少なくなるため、これにより人工降雪プロセスが改善されます。このプラントから、空気は水パイプラインと同じ経路をたどる別のパイプラインを上昇します。
水には、シュードモナス・シリンガエ菌由来の氷核形成活性タンパク質（inaタンパク質）が混入していることがある。これらのタンパク質は、比較的高い温度で氷結晶の形成を開始させる効果的な核として機能し、水滴が地面に落下する前に氷に変化する。この細菌自身も、植物を傷つけるためにこれらのinaタンパク質を利用している。 [ 10 ]
遊歩道に沿って敷設されたパイプには、消火栓、電源、そしてオプションで通信回線が設置されたシェルターが備え付けられている。
ファンガン用のシェルターは水、電力、場合によっては通信のみを必要とするのに対し、ランスシェルターは通常、消火栓も必要とします。ハイブリッドシェルターは、すべての供給が利用可能であるため、各タイプのスノーマシンを接続する際に最大限の柔軟性を提供します。ランスシェルターの一般的な距離は100 ～ 150 フィート (30 ～ 46 m)、ファンガンの場合は250 ～ 300 フィート (76 ～ 91 m)です。これらの消火栓から、カムロックを使用して消防ホースと同様に1 + 1 ⁄ 2～ 2インチ (38 ～ 51 mm)の耐圧ホースがスノーマシンに接続されます。
人工降雪を支えるインフラは、貯水池付近の地下水位や雪の下の土壌のミネラルや栄養分含有量を変化させるなど、環境に悪影響を及ぼす可能性がある。[ 11 ]
人工降雪機には様々な種類がありますが、いずれも空気と水を混ぜ合わせて雪を作るという基本的な原理は共通しています。ほとんどの人工降雪機では、混合液中の水の量を調整することで雪の種類、つまり「質」を変えることができます。一方、水と空気の供給をオンオフするだけで、雪の質は気温と湿度によって決まるタイプのものもあります。
一般的に、人工降雪機には内部混合式、外部混合式、ファン式の3種類があります。これらはさらに、空気水式とファン式の2つの主要なタイプに分けられます。
空気式放水銃は、タワーに取り付けることも、地上のスタンドに取り付けることもできます。高圧の水と空気を使用するのに対し、ファン式放水銃は強力な軸流ファンを使って水を遠くまで噴射します。
現代のスノーファンは通常、ファンの気流に水を噴射するノズルのリングが 1 つ以上あります。別のノズルまたは小さなノズル群には、水と圧縮空気の混合物が供給され、雪の結晶の核生成点が生成されます。小さな水滴と小さな氷の結晶は混合され、強力なファンによって噴射され、地面に落下する際に周囲の空気中で蒸発してさらに冷却されます。氷の結晶は、水滴が 0 ° C (32 ° F ) で凍結する種として機能します。これらの結晶がないと、水は凍結する代わりに過冷却されます。この方法は、空気の湿球温度が-1 °C (30 °F)ほど高い場合でも雪を生成できます。[ 12 ] [ 13 ]気温が低いほど、スノーキャノンで生成できる雪の量と質が高くなります。これが、スノーキャノンが通常夜間に稼働する主な理由の 1 つです。水流と空気流の混合の質、およびそれらの相対的な圧力は、生成される雪の量と質に大きく影響する。
最新の人工降雪機は完全にコンピュータ制御されており、自律運転または中央制御による遠隔操作が可能です。運転パラメータは、開始・停止時間、雪質、運転可能な最大湿球温度、最大風速、水平・垂直方向の向き、および掃引角度（より広い範囲またはより狭い範囲をカバーするため）です。掃引角度と範囲は風向きに合わせて調整できます。
スキーリゾートで見られるような人工降雪機の小型版が存在し、家庭用の空気と水で動くように縮小されている。家庭用人工降雪機は、庭のホースまたは高圧洗浄機から水を供給する。高圧洗浄機の方が1時間あたりの降雪量が多い。[ 14 ]配管継手と特殊なノズル、または高圧洗浄機のノズルで作られた自作の人工降雪機の設計図も存在する。加圧空気は通常、標準的なエアコンプレッサーから供給される。[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]
家庭用造雪機の雪の量は、空気と水の混合比、気温、風の変化、ポンプの能力、水の供給量、空気の供給量、その他の要因によって左右されます。家庭用スプレーボトルを使用しても、気温が水の凝固点よりかなり低い場合を除き、効果はありません。[ 18 ]
2009～2010年のスキーシーズンまでに、米国国立スキー場協会に加盟するスキー場の約88%が、自然降雪を補うために人工雪を使用していると推定された。[ 19 ]ヨーロッパアルプスでは、人工雪で覆うことができるスキー場の割合は国によって異なる（ドイツ25%、フランス37%、スイス53%、オーストリア70%、イタリア90%）。[ 20 ] 1985年以降、米国本土の11月から2月までの平均気温は、図1に示すように、1901年から2000年の間に測定されたこれらの月の平均気温を常に上回っている。[ 21 ]このような傾向は、人工雪の使用を制限すると同時に促進する。気温の上昇は、雪解けの増加と降雪量の減少につながり、スキー場は人工雪の使用にますます依存せざるを得なくなる。しかし、気温が6 ℃（43 °F）に近づくと、現在の技術では人工降雪は現実的ではありません。右側のパーセンの写真は、自然降雪を補うために人工雪を使用している様子を示しています。山を下る白い帯は、人工降雪技術を駆使して開通したスキーコースです。
人工雪の使用がより一般的かつ効率的になるにつれて、アリゾナ州スノーボウルスキーリゾートの場合のように、開発者は新しいスキーリゾートを建設したり、既存のスキーリゾートを拡張したりしようとする可能性があります。このような行動は、大規模な森林破壊、脆弱で希少な生態系の喪失、文化的な反対を引き起こす可能性があります。人工雪の製造に伴う高コストは、その使用に対する参入障壁となっています。2008年には、スノーガンを購入し、必要なインフラを整備するのに約13万1000米ドルかかると推定されました。全体として、フランスアルプスでは約6100万米ドル、オーストリアでは10億500万米ドル、スイスでは4億1500万米ドルが造雪技術に投資されています。[ 22 ]さらに、平均的なアメリカのスキーリゾートのエネルギーコストの50%は、人工雪の製造によって発生しています。[ 19 ]
人工降雪機により、スキー場はシーズンを延長し、降雪量の少ない時期にも事業を維持することができます。気候変動の傾向により、降雪量はますます予測不可能になり、スキー場の経済的成功が危ぶまれています。2008年から2013年の間に、アメリカのスキー場とスノーボード場は年間約30億米ドルの収益を上げました。[ 23 ]このような高い収益水準は、予測可能で十分な量の積雪に対する需要を高め、これは人工降雪によって実現できます。近年のスキー場の経済的利益は約30億米ドルですが（図2参照）、米国の冬季観光の追加的な経済的価値は年間約122億米ドルと推定されています。[ 23 ] [ 19 ]これらの追加的な利益は、ホテル、レストラン、ガソリンスタンド、その他の地元企業での支出という形で得られます。さらに、冬季観光は米国で約211,900人の雇用を支えており、これは給与と福利厚生費として約70億ドル、州および地方税として14億ドル、連邦税として17億ドルに相当します。スノースポーツの経済効果は大きいですが、同時に脆弱でもあります。降雪量が少ない年には、経済活動が約10億ドル減少すると推定されています。[ 19 ]
人工降雪技術の導入と利用には、大規模なインフラ整備事業が必要となります。これらの事業は、地域の生態系に大きな混乱をもたらします。人工降雪技術の利用に伴う主要なインフラ整備事業の一つが、山岳貯水池です。多くの山岳貯水池は、地下水路に水を供給する堤防ダムであり、近隣住民や生態系に重大な安全上のリスクをもたらします。従来の貯水池やダムがもたらす危険に加えて、山岳貯水池は、山岳特有の様々な危険にさらされます。こうした危険には、雪崩、急流、地滑りなどがあります。山岳貯水池の約20%は雪崩が発生しやすい場所に建設されており、約50%は非常に高い危険にさらされています。さらに、山岳貯水池は水を非常に速く排出するため、大規模な洪水を引き起こし、公共の安全を著しく脅かします。これらの危険の深刻さは、人口や財産への影響の可能性によってさらに増大します。[ 24 ]
人工降雪機は、一般的に、1ヘクタールの斜面を覆うのに3,000～4,000立方メートルの水を必要とします。[ 24 ]したがって、1立方メートルの雪を作るには約106ガロン（400リットル）の水が必要であり、人工降雪機は1分あたり約107ガロン（405リットル）の水を使用します。[ 22 ] [ 25 ]この水のかなりの部分は蒸発によって失われ、地下水には戻りません。[ 26 ] [ 27 ]さらに、1立方メートルの雪を作るには約3.5～4.3kWhのエネルギーが必要ですが、この数値は1立方メートルの雪 あたり14kWhにもなる場合もあれば、1kWhにまで下がる場合もあります 。[ 28 ]人工降雪は、平均的なアメリカのスキーリゾートのエネルギーコストの約50％を占め、その額は約50万ドルに上る。[ 19 ]
スキーリゾートでは、人工雪の製造にミネラル水がよく使われますが、これは周辺の生態系や地下水に悪影響を及ぼします。山岳貯水池には高濃度のミネラル水が満たされていることが多く、これらの貯水池からの流出水は地下水のミネラルや化学組成に影響を与え、ひいては飲料水を汚染します。さらに、山岳貯水池では水が地面に浸透しないため、水は流出水によってのみ地下水に戻ります。[ 24 ]
気候変動の影響で天然雪の供給が不足する中、人工降雪は主要な収益源となっている。しかし、人工降雪は深刻な環境問題を引き起こし、そもそも人工雪への需要増加を招いた問題を悪化させる可能性がある。
EPAは、2100年までに世界の気温が0.28 ℃（0.5 °F）から4.8 ℃（8.6 °F）上昇し、おそらく1.5 ℃（2.7 °F）上昇すると予測しており、米国の平均気温は1.7 ℃（3 °F）から6.7 ℃（12 °F）上昇すると予測している。さらに、科学者たちは、北半球の積雪量が今世紀末までに15%減少し、同時に積雪量が減り、雪の季節が短くなると予測している。[ 29 ] 2050年代までに、冬季オリンピックとパラリンピック（北京2022まで）でこれまで使用されてきた21か所のうち、信頼できる気象条件が維持される場所は半分以下になると予測されている。[ 30 ]気温と降雪パターンの予測される変化により、スキー場は大量の水と電気を使用する人工雪にますます依存するようになるだろう。その結果、スキー場は温室効果ガスの排出と水不足の問題にさらに寄与することになるだろう。
人工雪の製造は、長期的な環境への影響に加えて、差し迫った環境上の課題も引き起こします。人工雪は、天然雪よりも約2～3週間長く溶けることになります。そのため、人工雪の使用は、地域の動植物に新たな脅威と課題をもたらします。さらに、人工雪の製造に使用される水のミネラルと栄養分の含有量が高いため、土壌の組成が変化し、その結果、どの植物が生育できるかに影響します。[ 26 ]
人工雪の製造による直接的な影響に加えて、人工降雪の実施は様々な二次的な影響をもたらす。
人工雪の製造によって生じる正の外部性には、地域経済へのプラスの影響、身体活動の機会の増加、競技条件の改善などが含まれます。さらに、人工雪の製造により、スキー場は営業期間を延長できるため、人々が屋外での身体活動に参加する機会が増えます。[ 31 ]最後に、スノーガンを使用して製造された雪の組成は天然雪の組成とは異なり、そのためウィンタースポーツ競技の条件が改善されます。[ 2 ]速さと「超グリップ力」があるため、プロに好まれることが多いですが、その上で転倒する恐怖も高まります。[ 32 ] [ 33 ]
人工降雪によって生じる最も顕著な負の外部性は、環境への悪影響である。しかし、環境への影響に加えて、人工雪の製造は、文化や社会にも重大な負の外部性をもたらす。こうした外部性には、土地利用や土地所有権に関する問題が含まれる。多くのスキーリゾートは、米国森林局から山や斜面を借りており、土地をどのように利用できるのか、またどのように利用すべきなのか、そして誰が適切な利用方法を決定する権限を持つべきなのかといった疑問が生じる。
負の文化的外部性の具体的な例として、アリゾナ州北部のスキーリゾート、アリゾナ・スノーボウルでの人工雪の使用をめぐる論争が挙げられる。アリゾナ・スノーボウルはサンフランシスコ山脈に位置し、ナバホ族を含むフォー・コーナーズ地域の様々なネイティブ・アメリカン部族にとって最も神聖な場所の一つである。2004年、アリゾナ・スノーボウルは米国森林局からゲレンデを借りており、新しいスキーコースを建設し、人工雪の生産量を増やすことを検討していた。提案されたプロジェクトには、約74エーカー（30ヘクタール）の森林伐採、再生水を使用した人工雪の製造、再生水用の3エーカーの貯水池の建設、地下パイプラインの設置が含まれていた。6つのネイティブ・アメリカン部族とその他様々な団体のメンバーからなる原告団が、米国森林局とアリゾナ・スノーボウルを相手取って訴訟を起こした。原告らは、このようなプロジェクトを実施すれば、山の文化的、精神的な性質が著しく変化し、損なわれると主張した。この法的異議申し立ては最終的に2009年に失敗に終わった。[ 34 ]
フランスのスキー村におけるALSの珍しい症例に関する研究など、いくつかの限定的な研究では、人工雪への曝露が毒性要因の一つである可能性が示唆されている。
スウェーデン語では、「スノーキャノン」（ Snökanon ）という言葉は、湖水効果による降雪現象を指すのに使われます。例えば、 1月にバルト海がまだ凍結していない場合、シベリアからの冷たい風によってかなりの降雪量となることがあります。
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