孫亞飛

天氣瓶是什么？

自古以來，各個(gè)農(nóng)耕文明都極其重視歷法與氣象觀測(cè)。到了海洋文明時(shí)代，對(duì)氣象預(yù)測(cè)的需求更加提升——如果在海上突然遇上一場(chǎng)風(fēng)暴可不是鬧著玩的。因此，在那個(gè)科技不發(fā)達(dá)的年代，人們開始積極地研究能夠反映天氣的設(shè)備。

大約在18世紀(jì)末期，一種叫作“風(fēng)暴瓶”的天氣預(yù)報(bào)器出現(xiàn)了，據(jù)說它可以靈敏地感應(yīng)環(huán)境中光、熱和氣壓這些參數(shù)的變化，一旦有了變天的先兆，瓶中的化學(xué)物質(zhì)就會(huì)發(fā)生一系列變化，變得渾濁不清，長(zhǎng)出形態(tài)各異的結(jié)晶來。現(xiàn)在所說的天氣瓶就是由此而來。

由于風(fēng)暴瓶的很多原始資料都已散逸，最初的配方已無人知曉，甚至發(fā)明者是誰也已不可考，但這個(gè)發(fā)明在19世紀(jì)還是得到了不少科學(xué)界人士的改進(jìn)。在風(fēng)暴瓶的“研發(fā)史”上，最值得一提的人物是羅伯特·菲茨羅伊船長(zhǎng)，正是他指揮的小獵犬號(hào)帶著達(dá)爾文進(jìn)行了那次著名的環(huán)球考察。而相對(duì)不為人知的是，菲茨羅伊船長(zhǎng)同時(shí)也是一位氣象學(xué)家，他進(jìn)行了很多天氣預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)工作。菲茨羅伊也確定了風(fēng)暴瓶的基本配方：蒸餾水、乙醇、樟腦、硝酸鉀與氯化銨，并將它用在了小獵犬號(hào)的航行當(dāng)中。

根據(jù)當(dāng)時(shí)的記載，人們相信這種配方的風(fēng)暴瓶可以預(yù)測(cè)晴天、多云、風(fēng)暴、大霧以及下雪等多種天氣狀況。據(jù)說判斷天氣的方法也非常簡(jiǎn)單：如果瓶中的溶液清澈，那就會(huì)是晴天;如果呈現(xiàn)云狀，那就代表多云;倘若云狀液體還拖著星狀分布的沉淀，那不用說，就是風(fēng)暴要來了。

同一瓶溶液，為什么會(huì)出現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)？在實(shí)驗(yàn)室玩過結(jié)晶的人都知道，長(zhǎng)晶體可不是理論上說長(zhǎng)什么樣就會(huì)長(zhǎng)成什么樣的，很多細(xì)節(jié)因素都可能對(duì)結(jié)晶過程造成影響。一般來說，分析晶體生長(zhǎng)的情況，主要需要考慮溶質(zhì)自身的特性、溶液體系、溶質(zhì)濃度、溫度以及溫變速率這些參數(shù)，實(shí)驗(yàn)室里長(zhǎng)晶體通常也都是從這些參數(shù)著手，添加不良溶劑、揮發(fā)、降溫、控制晶核都是常見的方法;有時(shí)候，電場(chǎng)、磁場(chǎng)、加壓等方式也能用于調(diào)整晶體生長(zhǎng)。

具體到天氣瓶來說，到底有哪些因素影響它的結(jié)晶呢？這個(gè)問題已經(jīng)有研究論文給出了答案。日本科學(xué)家長(zhǎng)島和茂帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)曾專門進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)天氣瓶的結(jié)晶條件和結(jié)晶成分進(jìn)行了驗(yàn)證。X射線衍射結(jié)果顯示，天氣瓶中美麗的結(jié)晶就是樟腦晶體，氯化銨與硝酸鉀在這個(gè)體系中并不會(huì)發(fā)生結(jié)晶，但它們的存在可以提供晶核。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，環(huán)境電場(chǎng)、磁場(chǎng)、濕度、氣壓這些因素對(duì)瓶中晶體的生長(zhǎng)都沒有影響，造成影響的主要因素是環(huán)境溫度以及溫度變化的速率。

在這個(gè)體系中，樟腦會(huì)在20～30℃區(qū)間內(nèi)發(fā)生結(jié)晶，也就是說當(dāng)溫度從30℃開始下降時(shí)，就有可能出現(xiàn)結(jié)晶了。降溫速率可以極大地影響結(jié)晶的形狀，簡(jiǎn)單來說，如果降溫速率很快，結(jié)晶體傾向于形成更多更長(zhǎng)的分支，就像雪花一樣;而降溫很慢時(shí)，則傾向于針狀晶體長(zhǎng)出一些簇狀分支，有些像雞毛撣子。由于樟腦晶體與冰一樣為六方晶系，因此當(dāng)降溫速率較大時(shí)，結(jié)晶也為六瓣，形狀非常像雪花。

除了溫變速率的影響之外，研究者還發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶與初始狀態(tài)有關(guān)，從30℃降溫至20℃時(shí)，結(jié)晶逐步增加，但從10℃升溫到20℃時(shí)，結(jié)晶沒有明顯減少，兩種方式的終點(diǎn)雖然一致，都是20℃，但外觀上卻有著明顯差異，這進(jìn)一步說明，結(jié)晶的狀態(tài)需要考慮結(jié)晶過程。

結(jié)晶能反映天氣嗎？

隨著環(huán)境的變化，在天氣瓶中確實(shí)可以看到形態(tài)各異的結(jié)晶，這個(gè)過程看起來相當(dāng)神奇，也很有美感，但它實(shí)在很難反映天氣的變化。

除了實(shí)驗(yàn)室中的原理分析以外，也有人實(shí)地驗(yàn)證過天氣瓶預(yù)報(bào)天氣的效果。問答網(wǎng)站“實(shí)訊息（The Straight Dope）”就做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)站的兩位工作人員制作了6個(gè)天氣瓶，對(duì)它們?cè)?2周內(nèi)的“預(yù)報(bào)成績(jī)”進(jìn)行了記錄。為了放寬條件，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中只考慮了晴天和下雨兩種情況（分別對(duì)應(yīng)瓶中無結(jié)晶和有結(jié)晶），并且規(guī)定只要天氣瓶放置地點(diǎn)周圍32千米以內(nèi)出現(xiàn)0.25毫米的降水就可以算作下雨天氣。最終的統(tǒng)計(jì)數(shù)字顯示，天氣瓶預(yù)測(cè)晴雨的準(zhǔn)確率只有49%。即使把可能下雨而沒下的陰天也算進(jìn)去，這種預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率平均也只有53%。雖然這不能算是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)研究，但也從一個(gè)側(cè)面說明，天氣瓶預(yù)報(bào)天氣的效果確實(shí)比隨便亂猜好不了多少。

天氣瓶中的結(jié)晶確實(shí)很美麗，如果對(duì)結(jié)晶現(xiàn)象感興趣，自己做一個(gè)放在家里，看著晶體生長(zhǎng)又消融，也不失為一種樂趣。不過，在氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如此發(fā)達(dá)的今天，天氣的事問它就不靠譜了。預(yù)報(bào)天氣的任務(wù)，還是交給氣象臺(tái)吧。