摘要：今年一月我国南方出现了五十年不遇的冰雪灾害天气，给国家造成了巨大的损失，引起了社会各界的广泛关注。关于南方雪灾中涉及的物理问题很多，本文拟从雪的形成、雪灾的形成，高压输电铁塔的倒塌等热点问题从物理学角度加以分析，并对日常生活中的雪灾防护作一些简单的介绍。
关键词：雪灾；物理；防护
中图分类号：G633.7 文献标识码：A文章编号：1003-6148(2008)6(S)-0001-3
我们都知道,混合云是由小冰晶和过冷却水滴（水温降到0℃以下仍保持液态的现象称为过冷却，在云中常常含有过冷却的水滴）共同组成的。当一团空气对于冰晶来说已经达到饱和的时候，对于水滴来说却还没有达到饱和。这时云中的水蒸汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上“吸附”水蒸汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。另外，过冷却水是很不稳定的，一碰它，它就会凝结起来。所以，在混合云里，当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会凝结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落向地面，这就是雪。
1 雪灾形成的原因分析
雪灾主要是由于雾、雪、雨凝结成覆冰后给供水、道路交通、电力输送等关系国计民生的各个方面造成灾难性的损失。覆冰在气象学上的说法叫做“淞”，它主要有以下几种情况：
雾淞，气温较低（-3℃以下）且有雾或湿度大时，过冷却雾滴在物体迎风面凝固或严寒时空气中水蒸汽凝华而成。它呈乳白色的冰晶层或颗粒状冰层，较松脆。如图1所示。
雪淞，又叫凝雪。当雪降到地面后，如果近地面的气温接近于0℃或在0℃附近摆动，那么温度稍微升高一点点雪花就会融化，而温度稍微下降又会迅速凝固成冰。
雪淞和雾淞本身很松软，密度较小。但是由于今年年初南方气温较长时间在0℃附近波动，雪不断反复地融化和凝固，而雪淞具有很大的粘性，很容易粘在电线、电器设备、杆塔、树木等物体上，在0℃~8℃环境气温下，会很快凝结成冰。如图2所示。
雨凇，也叫冻雨，这种雨从天空落下时实际上是低于0℃的过冷却水滴，当它碰到地面及空中其它物体后，它会慢慢延开，排出气泡，当地面温度在-4℃~4℃之间时，就会在物体上凝固成外表光滑、晶莹透明的一层坚硬冰层，有时边凝固边淌，形成一条条冰柱。如图3所示。它通常
在水平面、垂直面上均可形成，但水平面和迎风面上增长最快。它结冰速度非常快，密度大，达到0.9g/ cm3。冻雨在物体上凝固并积累后能压断电线和电话线，严重的会压塌房屋，压断树木、竹子，冻死农作物和蔬菜。由于地面凝固后被冻结，对交通造成很大影响。飞机在有过冷水滴的云中飞行会使机翼、螺旋桨积冰而造成失事。
而今年年初的南方天气，由于凝雪与冻雨交织，带来的危害更大。如南方部分地方高压输电电线结冰厚度长时间保持在50mm以上，贵州铜仁地区高压输电电线结冰厚度甚至高达93mm，贵州有直径2cm的电缆，被凝冻的冰块包成了直径14cm的冰缆。郴州、衡阳一线的70多座高压输电线铁塔有近三分之一垮塌。
2 高压输电线路铁塔倒塌之谜
今年特大雪灾对人们生活的最大影响，莫过于有多座500kV的输电主干线路铁塔严重损坏或倒塌。
当前500kV高压输电线路所用导线的标称截面为400/35，400表示导线的铝股部分横截面积为400mm2，35表示钢芯部分横截面积为35mm2，该导线的自重是1.511kg/m。每相导线有4根，一条线路为3相导线，共12根导线，另外还有两根避雷线。
我们先取一根这种导线进行研究：
1m导线上覆上一层冰后增加的质量计算公式为：
Δm=［π×(d2+b)2-π×(d2)2］×1 000×0.9。
其中b表示冰的厚度，d为导线直径，冰的密度为0.9g/ cm3。
按南方常规的气象条件，设计时取的覆冰最大厚度（简称冰厚）为10mm。由上面的计算公式可知，1m导线覆上10mm厚的冰后增加的质量是1.04kg。
由此，每1m导线的上覆冰后的质量为：
1.511 kg +1.04 kg＝2.551kg。取两铁塔间平均档距1 000m（多数为500～700m，考虑山区的连续上山档等因素取1 000m），铁塔的高度一般在20m左右。故两铁塔间覆冰及导线总质量为（两根避雷线很小，可不予考虑）m=2.551×1 000×12 kg＝30.612×103kg=30.612t。铁塔的地面基础即按此条件进行设计和施工。
当冰厚为100mm时，代入上述公式得Δm′＝35.839 kg，此时两铁塔间覆冰及导线总质量为:m′ =（35.839+1.511）×1 000×12＝448.2×103kg=448.2t。
由以上计算可知， m′/m =16.61倍。
而一般电力输电线路的地面基础设计只取了2.5倍的安全系数!
另外，输电铁塔主要是钢铁结构，而钢铁结构的物理特性是热胀冷缩，在冰冻情况下，钢铁构件会因低温而导致延展性降低，变得脆弱，特别是抗拉性降低。在拐弯处的铁塔更容易被扭转、拉倒。
北方地区冬天气候严寒干燥，即使下雪，顶多在输电线路和高压铁塔上积上厚厚的雪，加上北方冬季风大，很短时间内就把雪吹走，虽然这时候输电设施同样因天气寒冷而变脆，但因为塔身，特别是导线上只附着积雪，没有大量挂冰，而且在设计时冰厚取得大，一般在30mm左右。所以北方一般不会出现因雪灾而导致高压输电铁塔倒塌的现象。
3 雪灾的常见防护
首先要做好道路的“融雪”工作。我国通常使用喷洒融雪剂的办法化雪。融雪剂的作用原理是利用了盐水的凝固点比水的凝固点低的特点，实际上雪是在不断地融化和凝固的，只不过二者速度几乎相等，处于一种平衡状态，撒上盐以后，雪周围的水就变成盐水，但又未能凝固，这样雪就会不断融化，并越来越少了。
融雪剂分为两种，一种是以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂，融雪效果好，没有什么腐蚀损害，但它的价格太高，一般只适用于机场等地；另一种是氯盐类融雪剂，包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等，通称作“化冰盐”，它的优点是便宜，但它对大型公共基础设施的腐蚀非常严重，它还会污染饮用水源，造成绿化植被大面积死亡等。美国的一些州已经彻底禁止使用盐来融雪，而是在机械铲雪后，在道路上洒碳渣、粗沙、树枝渣类物质来防滑，同时利用这些渣类物质的深色来吸收太阳的能量，以帮助升高地面的温度来融雪。使用后的碳渣、树枝渣可以放入道边的绿地中，成为改善绿地土质的好帮手。
其次，做好水管、水表、水龙头等用水设施的防护工作。根据有关条例规定，用户户内的供用水设施由用户自行管理维修。在冰雪天气，自来水管之所以会被冻裂，主要来自三方面的原因：气温低导致自来水管里的水凝固，密度变小，体积就会变大，这样就使劲地撑胀自来水管，自来水管就会裂；自来水管质量不好，是有缝钢管；钢材、铁材制品在低温的情况下会变脆，承受压力弱，也会破裂。
家中水管、水表、水龙头等用水设施可用棉
麻织物进行包裹；夜晚应关闭厨房、卫生间对外及所有背阴房间的窗户，保证室内温度在0℃以上；若气温在－5℃以下，最好在夜间用水后稍稍拧开水龙头使水流成线，防止夜间受冻。对已冰冻的龙头、水表、水管，宜先用热毛巾包裹水龙头，然后浇热水，使龙头解冻，再拧开龙头，用温水（不高于30℃）沿龙头慢慢向管子浇洒，使水管解冻。
最后，外出时要采取防寒和保暖措施。在冰冻严重的南方，尽量别穿硬底鞋和光滑底的鞋，给鞋套上旧棉袜以增大摩擦；驾车出行时，要慢速、主动避让、保持车距、少踩刹车、服从交警指挥和注意看道路安全提示；给非机动车轮胎稍许放点气，以增加轮胎与路面摩擦力，也能防滑。
如果遭遇了暴风雪突袭，除了上述注意事项外，还要特别注意远离广告牌、临时建筑物、大树、电线杆和高压线塔架；路过桥下、屋檐等处时，要小心观察或者干脆绕道走，因为从上面掉落的冰凌，在重力的作用下，其杀伤力绝不次于刀剑。
参考资料：
［1］2008年1月28日联合早报网.
［2］2008年1月28日大洋网-广州日报.
［3］2008年1月29日金黔在线.
［4］/xhft/20080118/ 中华网.
［5］.cn2008年01月29日贵州都市报.
［6］.cn/200406/ca463424.htm.
［7］2008年2月28日 科教新报.
(栏目编辑赵保钢)