人工降雪

人工雪製造とは、水と加圧空気を「スノーガン」（別名「スノーキャノン」）に押し込んで雪を作ることです。人工雪製造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、スキー場は積雪の信頼性を高め、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。屋内スキー場では人工雪製造が使用されています。屋内スキー場では気候制御された環境が整っているため、通常は年間を通じて人工雪製造が可能です。

気象パターンの変化と屋内スキー場の人気により、自然が供給する雪以上の需要が生まれ、人工雪製造機の使用が一般的になってきました。人工雪製造機は雪の供給不足に対処してきましたが、人工的に雪を製造することには大きな環境コストが伴います。

欧州環境機関によると、北半球の降雪期間は1970年代以降、10年ごとに5日ずつ減少しており、人工雪の製造需要が高まっている。一部のスキー場では、スキーシーズンを延長し、自然の降雪量を増やすために人工雪を使用しているが、人工雪の製造にほぼ全面的に依存しているスキー場もある。^[1]人工雪は、2014年ソチ冬季オリンピック、2018年平昌冬季オリンピック、 2022年北京冬季オリンピックで、自然の降雪量を補い、競技に可能な限り最良の条件を提供するために広く使用された。^[2]

雪を作るには低温が必要です。湿度が下がると、造雪の閾値温度は上がります。湿球温度は、気温と相対湿度を考慮に入れるため、測定基準として使用されます。湿球温度は常に外気温より低くなります。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、より低温にする必要があります。

例:

• 乾燥温度0℃（32℉）および湿度90%は、湿球温度-0.6℃（30.9℉）に相当します。
• 乾燥温度0℃（32℉）と湿度30％は湿球温度−4.3℃（24.3℉）に相当します。
• 乾燥温度 +2.0 °C (35.6 °F) と湿度 90% は、湿球温度 +1.5 °C (34.7 °F) に相当します。
• 乾燥温度+2.0 °C (35.6 °F) と湿度30% は、湿球温度 -2.8 °C (27.0 °F) に相当します。

人工雪製造システムを起動するには、湿球温度が−2.5℃（27.5℉）である必要があります。大気の湿度が非常に低い場合は、0℃（32℉）をわずかに上回る温度でこのレベルに到達できますが、空気の湿度が高い場合は、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、より効率的に製造できます。

人工雪の製造は大量のエネルギーを消費するプロセスであり、環境にも影響を与えるため、その使用は本質的に制限されます。

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年に人工降雪機を発明したが^{[4] [5]}、特許を取得したのはかなり後のことだった。^[6] 1952年、グロ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。^[7]人工雪製造は1970年代初頭に広く使用されるようになり、多くのスキー場が人工雪製造に大きく依存している。

人工雪製造は、複雑さが増すにつれて効率が向上しました。従来、人工雪製造の品質は、装置オペレーターのスキルに依存していました。今日では、^{[いつ? ]}コンピューター制御がそのスキルを補完して精度を高め、人工雪製造が最適な場合にのみスノーガンが作動します。

雪の製造において重要な考慮事項は、水とエネルギーの効率を高め、雪を製造できる環境範囲を広げることです。

人工雪製造プラントには水ポンプが必要で、ランスを使用する場合は空気圧縮機も必要になるが、これらは非常に大きくて高価である。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0.6～0.7kW h/m ³ 、ファンガンの場合は1～2kW h/m ^3である。人工雪の密度は400～500kg/m ³で、雪を作るのに必要な水の消費量はほぼその数値に等しい。^[8]

人工雪製造は、川や貯水池などの水源から始まります。ポンプ室にある非常に大きな電動ポンプを使用して、山のパイプラインに水が汲み上げられます。この水は、複雑な一連のバルブとパイプを通って、人工雪製造が必要なすべてのトレイルに分配されます。ほとんどのリゾートでは、できるだけ多くの水が凍って雪になるように、核剤も加えます。これらの製品は、水分子が氷の結晶に凍るのに適切な形を形成するのを助ける有機または無機の物質です。製品は無毒で生分解性です。

造雪プロセスの次のステップは、エアプラントを使用して空気を追加することです。このプラントは、多くの場合、バンまたはトラックほどの大きさの電気またはディーゼルの産業用エアコンプレッサーを備えた建物です。ただし、場合によっては、ディーゼル駆動のポータブルトレーラー搭載コンプレッサーを使用して空気圧縮が提供され、システムに追加できます。マンファンタイプのスノーガンには、オンボードの電動エアコンプレッサーがあり、より安価でコンパクトな操作が可能です。スキー場には、必要な高出力ウォーターポンプはあっても、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、専用のポンプハウスを持つよりも安価で簡単です。空気は通常、プラントから送り出される前に冷却され、余分な水分が除去されます。一部のシステムでは、水がシステムに入る前に冷却されます。これにより、空気と水の熱が少ないほど、水を凍結するために大気中に放散される熱が少なくなるため、造雪プロセスが向上します。このプラントから、空気は、水道管と同じ経路をたどる別のパイプラインを上っていきます。

水には、シュードモナス・シリンガエという細菌のイナ（氷核活性タンパク質）が混ざっていることがあります。これらのタンパク質は、比較的高温で氷結晶の形成を開始するための効果的な核として機能し、水滴は地面に落ちる前に氷に変わります。細菌自体も、これらのイナタンパク質を使用して植物に害を与えます。^[9]

トレイルに沿ったパイプには、消火栓、電力、およびオプションで通信回線を備えたシェルターが装備されています。

ファンガンのシェルターには水、電力、場合によっては通信のみが必要ですが、ランスシェルターには通常、エアハイドラントも必要です。ハイブリッドシェルターは、すべての供給品が揃っているため、各タイプのスノーマシンを接続する柔軟性が最大限に高まります。ランスシェルターの一般的な距離は100〜150フィート（30〜46メートル）、ファンガンの場合は250〜300フィート（76〜91メートル）です。これらのハイドラントから1+1 ⁄ 2～2 インチ (38～51 mm) の耐圧ホースが、カムロック付きの消防ホースと同様に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、環境に悪影響を及ぼす可能性がある。^[10]

人工雪銃にはさまざまな形がありますが、空気と水を混ぜて雪を作るという基本原理は共通しています。ほとんどの人工雪銃では、混合する水の量を調整することで雪の種類や「品質」を変えることができます。他の人工雪銃では、水と空気のオン/オフを切り替えるだけで、雪の品質は気温と湿度によって決まります。

一般的に、人工降雪機には内部混合式、外部混合式、ファンガンの 3 種類があります。人工降雪機には、エアーウォーターガンとファンガンの 2 つの主なスタイルがあります。

エアウォーターガンは、タワーまたは地上のスタンドに取り付けることができます。エアウォーターガンは高圧の水と空気を使用し、ファンガンは強力な軸流ファンを使用して水を遠くまで噴射します。

現代の人工雪ファンは通常、ファンの気流に水を噴射する1つ以上のノズルリングで構成されています。別のノズルまたはノズルの小グループに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。その後、小さな水滴と小さな氷の結晶が混合され、強力なファンによって噴射され、その後、地面に落ちる際に周囲の空気中の蒸発によってさらに冷却されます。氷の結晶は、水滴を0° C（32° F ）で凍結させる種子として機能します。これらの結晶がなければ、水は凍結する代わりに過冷却します。この方法では、空気の湿球温度が-1°C（30°F）ほど高くても雪を生成できます。^{[11] [12]}気温が低いほど、大砲で作れる雪の量と品質は高くなります。これが、人工雪が通常夜間に稼働する主な理由の1つです。水と空気の流れの混合の質とそれらの相対的な圧力は、作られる雪の量とその品質にとって非常に重要です。

現代のスノーキャノンは完全にコンピュータ化されており、自律的に動作することも、中央から遠隔制御することもできます。動作パラメータは、開始および停止時間、雪質、動作時の最高湿球温度、最大風速、水平および垂直方向、スイープ角度（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。スイープ角度と範囲は風向に応じて変わります。

• 内部混合ガンには、水と空気が混合され、ジェットまたは穴から押し出されて雪として地面に落ちるチャンバーがあります。これらのガンは通常、フレームまたは三脚の上で地面に近い位置に設置され、短い滞空時間 (水が空中に浮いている時間) を補うために大量の空気を必要とします。一部の新しいガンはタワー型で構築されており、滞空時間が長いため空気の使用量が大幅に少なくなります。水の流れの量によって作られる雪の種類が決まり、調整可能な水バルブによって制御されます。
• 外部ミキシングガンには、水を流すノズルと、この水流に空気を噴射して水流を非常に小さな水粒子に分解する空気ノズルがあります。これらのガンには、核形成器と呼ばれる一連の内部ミキシングノズルが装備されている場合があります。これらは、凍結時に水滴が結合する核を作成するのに役立ちます。外部ミキシングガンは通常、タワーガンであり、雪を凍らせるために長い滞留時間に依存しています。これにより、使用する空気が大幅に少なくなります。外部ミキシングガンは、正常に動作するために通常、高い水圧に依存しているため、給水が完全に開かれますが、一部のガンでは、流量をガンのバルブで調整できます。
• ファンガンは、ファンとオンボードの往復ピストン式エアコンプレッサーを動かすために電気が必要な点で、他のすべてのガンと大きく異なります。最新のファンガンは、外部ソースからの圧縮空気を必要としません。圧縮空気と水がさまざまなノズル (さまざまなデザインがあります) からガンから噴射され、その後、大型ファンの風がこれを空中のミストに吹き付けて、長い滞空時間を実現します。ファンガンには、ガン前面のリングに 12 個から 360 個の水ノズルがあり、ファンが空気を吹き付けます。これらのバンクは、バルブによって制御できます。バルブは、手動、手動電動、または自動電動 (ロジック コントローラーまたはコンピューターで制御) のいずれかです。

• スノーランスは、長さが最大 ​​12 メートルの垂直に傾斜したアルミニウム管で、その先端に水や空気の核形成装置が取り付けられています。水ノズルの出口で霧状の水に空気が吹き込まれます。圧縮された空気が膨張して冷却され、氷核が形成され、その上で霧状の水が結晶化します。高度が高く、下降速度が遅いため、このプロセスに十分な時間をかけることができます。このプロセスでは、ファンガンよりもエネルギー消費量が少なくて済みますが、範囲が狭く、雪の質も低くなります。また、風の影響を受けやすくなります。ファンガンに比べて優れている点は、投資額が低い (空気と水を使用するケーブル システムのみ、中央コンプレッサー ステーション)、はるかに静か、同じ量の雪に対してエネルギー消費量が半分、摩耗が少なく可動部品が少ないためメンテナンスが簡単、原理的に造雪の調整が可能であることです。スノーランスの動作圧力は 20 ～ 60 bar です。また、家庭で庭の配線で操作できる小型のモバイル システムもあります (Home Snow)。

スキー場にある人工雪製造機の小型版もあり、家庭用サイズの空気と水で稼働するようにスケールダウンされています。家庭用人工雪製造機は、庭のホースまたは高圧洗浄機から水を供給され、1 時間あたりの雪の量が増えます。配管継手と特殊なノズル、または高圧洗浄機のノズルを使用して、自分で人工雪製造機を作る計画もあります。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ます。

家庭用人工雪製造機で生成される雪の量は、空気と水の混合、気温、風の変化、ポンプの能力、給水量、空気供給量、その他の要因によって異なります。家庭用スプレーボトルを使用しても、気温が水の氷点よりはるかに低い場合以外は効果がありません。

2009～2010年のスキーシーズンまでに、米国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ています。^[13]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ります（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％）。^{[14] 1985年以来、}米国本土の11月から2月までの平均総気温は、図1のグラフに示すように、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一貫して上回っています^[15]。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します。気温が上昇すると雪解け量が増えて降雪量が減少するため、スキー場は人工雪の使用にさらに大きく依存せざるを得なくなります。しかし、気温が6℃（43℉）に近づくと、現在の技術では人工雪は実行可能ではありません。右のパーセンの写真は、自然の降雪を補うために人工雪を使用していることを示しています。山を下る白い帯は、人工降雪技術を駆使してオープンしたスキー場です。

人工雪の使用がより一般的かつ効率的になると、アリゾナ スノーボウルスキー リゾートの場合のように、開発業者は新しいスキー リゾートの建設や既存のスキー リゾートの拡張を模索するかもしれません。このような行為は、大規模な森林伐採、脆弱で希少な生態系の喪失、文化的抵抗を引き起こす可能性があります。人工雪の製造に関連する高額な費用は、その使用の参入障壁となっています。2008 年には、降雪機の購入と必要なインフラの開発に約 131,000 米ドルかかったと推定されています。全体として、フランス アルプスでは約 6,100 万米ドル、オーストリアでは 1,005 米ドル、スイスでは 415 米ドルが造雪技術に投資されています。^[16]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費用の 50% は、人工雪の製造によって発生しています。^[13]

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でも事業を維持できる。気候の傾向が変化するにつれて、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る。2008年から2013年の間に、米国のスキーおよびスノーボードリゾートの年間収益は約30億米ドルに達した。^[17]このような高水準の収益により、予測可能で十分な積雪量の需要が高まり、人工降雪の実施によってそれが実現できる。近年、スキー場の経済的利益は約30億米ドルであるが（図2を参照）、米国における冬季観光の追加的な経済価値は年間約122億米ドルと推定されている。^{[17] [13]}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もたらされる。さらに、冬季観光は米国で約211,900の雇用を支えており、給付金と給与として合計約70億ドル、州税と地方税として14億ドル、連邦税として17億ドルが支払われている。スノースポーツの経済的利益は大きいが、脆弱でもある。降雪量の少ない年には、経済活動が約10億ドル減少すると推定されている。^[13]

人工降雪技術の導入と使用には、大規模なインフラ整備プロジェクトが必要です。これらのプロジェクトは、地域の生態系に重大な混乱をもたらします。人工降雪技術の使用に関連する主要なインフラ整備プロジェクトは、山岳貯水池です。多くの山岳貯水池は、地下の水道管に水を供給する堤防ダムであり、近隣の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、山特有のさまざまな危険にさらされます。そのような危険には、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危険にさらします。これらの危険の深刻さは、低地の住民や財産に影響を及ぼす可能性があるために増大します。^[18]

人工雪製造機は通常、斜面1ヘクタールあたり3,000～4,000立方メートルの水を必要とする。^[18]したがって、1立方メートルの雪を製造するには約106ガロン（400リットル）の水が必要であり、人工雪製造機は1分あたり約107ガロン（405リットル）の水を使用する。^{[16] [19]}この水の大部分は蒸発により失われ、地下水位に戻らない。^{[20] [21]}さらに、1立方メートルの雪を製造するには約3.5～4.3kWhのエネルギーが必要であるが、この数値は1立方メートルあたり 14kWhまで高く、1kWhまで低くてもよい。 ^[22]人工雪製造は平均的なアメリカのスキー場のエネルギーコストの約50％を占め、約50万ドルに相当する。^[13] 

スキー場では人工雪の製造に鉱水を使用することが多いが、これは周囲の生態系や地下水位に悪影響を及ぼす。山岳地帯の貯水池は鉱物質を多く含んだ水で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、飲料水を汚染する。さらに、山岳地帯の貯水池は水が地中に浸透しないため、水は流出水によってのみ地下水位に戻る。^[18]

気象パターンの変化により、天然雪の供給が不足しているため、人工雪製造は主要な収益源となっています。しかし、人工雪製造は環境にとって大きな脅威であり、人工雪の需要増加の原因となった問題を永続させる可能性があります。

EPAは、2100年までに世界全体の気温が0.28℃（0.5℉）から4.8℃（8.6℉）上昇し、1.5℃（2.7℉）上昇する可能性があり、米国の平均気温上昇は1.7℃（3℉）から6.7℃（12℉）になると予測している。さらに、科学者らは、積雪量の減少と積雪期の短縮が同時に起こり、今世紀末までに北半球の積雪が15％減少すると予測している。^{[23] 2050年代までには、これまで}冬季オリンピックとパラリンピック（2022年北京まで）の開催地21か所のうち、安定した気象条件が保たれる場所は半分以下になると予測されている。 ^[24]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力を使用する人工雪にさらに依存するようになるでしょう。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貢献することになります。

長期的な環境への影響に加え、人工雪の生産は、直接的な環境問題を引き起こします。人工雪は、自然の雪よりも溶けるのに約2～3週間長くかかります。そのため、人工雪の使用は、地元の動植物に新たな脅威と課題をもたらします。さらに、人工雪を生産するために使用される水には、ミネラルと栄養素が豊富に含まれているため、土壌の組成が変化し、どの植物が成長できるかに影響します。^[20]

人工雪の製造による直接的な影響に加えて、人工雪の製造にはさまざまな二次的影響が伴います。

人工雪の製造によってもたらされるプラスの外部効果には、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ある。さらに、人工雪の製造により、スキー場は営業時間を延長することができ、人々が屋外での身体活動に参加する機会が増える。^[25]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とは異なるため、冬季スポーツ競技の条件が改善される。^[2]雪は速く「超グリップ力」があるためプロに好まれることが多いが、転倒の恐怖も高まる。^{[26] [27]}

人工雪製造によって生じる最も目に見える負の外部効果は、環境への悪影響です。しかし、環境への影響に加えて、人工雪の製造は、重大な負の文化的および社会的外部効果をもたらします。このような外部効果には、土地利用と土地の権利に関する問題が含まれます。多くのスキー場は、米国森林局から山や斜面を借りていますが、土地をどのように使用でき、また使用すべきか、そして適切な使用を決定する裁定者は誰であるべきかという疑問が生じます。

負の文化的外部性の具体的な例としては、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ある。アリゾナ・スノーボウルはサンフランシスコ峰に位置し、フォーコーナーズ地域のナバホ・ネーションを含むさまざまなネイティブ・アメリカン部族にとって最も神聖な場所の1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、新しいスキー場を建設し、人工雪の生産を増やそうとしていた。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）の森林の伐採、人工雪を製造するための再生水の使用、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る。6つのネイティブ・アメリカン部族とさまざまな他の組織のメンバーで構成される原告団が、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。原告は、そのようなプロジェクトに着手すると、山の文化的、精神的性質が著しく変化し、損なわれると主張した。この訴訟は最終的に2009年に敗訴した。^[28]

スウェーデン語では、「スノーキャノン」（Snökanon）という語句は、湖水効果による降雪現象を指すのに使われます。たとえば、 1 月にバルト海がまだ凍っていない場合、シベリアからの冷たい風が大雪をもたらすことがあります。

• 人工スキー場
• カーンアーク– スノーガンの氷結晶雲によって生じる光学現象
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