天气瓶：好看却不靠谱
最近，一种叫做“天气瓶”的小玩意儿又在网络上流行起来。网上的介绍说，这种装在玻璃瓶里的透明溶液会随着天气的变化长出各种漂亮的结晶，从结晶的形态还能看出是否要阴天下雨。这个小瓶子真有反映天气的神奇功能吗？ 天气瓶是什么？ 自古以来，各个农耕文明都极其重视历法与气象观测。到了海洋文明时代，对气象预测的需求更加提升——如果在海上突然遇上一场风暴可不是闹着玩的。正因为如此，在那个科技还不算发达的年代，人们就开始积极地研究能够反映天气的设备了。 大约在18世纪末期，一种被叫做“风暴瓶”（Storm Glass）的天气预报器出现了，据说它可以灵敏地感应大气环境中光、热和气压这些参数的变化，一旦有了变天的先兆，瓶中的化学物质就会发生一系列变化，变得浑浊不清，长出形态各异的结晶来。现在所说的天气瓶就是由此而来。
一个典型的天气瓶（风暴瓶）。图片来自：getdatgadget.com 由于风暴瓶的很多原始资料都已散逸，最初的配方如何已无人知晓，甚至发明者是谁也已不可考，但这个发明在19世纪还是得到了不少科学界人士的改进。在风暴瓶的“研发史”上，最值得一提的人物是罗伯特•菲茨罗伊（Robert Fitzroy）船长，正是他指挥的三桅帆船“小猎犬号”带着达尔文进行了那次著名的环球考察。而相对不为人知的是，菲茨罗伊船长同时也是一位气象学家，他进行了很多天气预报和监测工作。菲茨罗伊也确定了风暴瓶的基本配方：蒸馏水、乙醇、樟脑、硝酸钾与氯化铵，并将它用在了小猎犬号的航行当中。 根据当时的记载，人们相信这种配方的风暴瓶可以预测晴天、多云、风暴、大雾以及下雪等多种天气状况。据说判断天气的方法也非常简单：如果瓶中清澈，那就会是晴天；如果呈现云状，那就代表多云；倘若云状液体还拖着星状分布的沉淀，那不用说，就是风暴要来了。这样的描述，看起来还真与《水知道答案》有几分相像。 结晶能反映天气吗？ 随着环境的变化，在天气瓶中确实可以看到形态各异的结晶，这个过程看起来相当神奇，也很有美感，但它实在很难反映天气的变化。 同一瓶溶液，为什么会出现不同的结晶形态？在实验室玩过结晶的人都知道，长晶体可不是理论上说长什么样就会长成什么样的，很多细节因素都可能对结晶过程造成影响。一般来说，分析晶体生长的情况，主要需要考虑溶质自身的特性、溶液体系、溶质浓度、温度以及温变速率这些参数，实验室里长晶体通常也都是从这些参数着手，添加不良溶剂、挥发、降温、控制晶核都是常见的方法；有时候，电场、磁场、加压等方式也会用于调整晶体生长。但即便如此，还是会出现很多意外，比如一粒肉眼不怎么看得见的PM2.5灰尘掉落到过饱和溶液里，这突然出现的晶核就可能立即打乱之前的所有工作。 具体到天气瓶来说，到底有哪些因素影响着它的结晶呢？这个问题已经有研究论文给出了答案。日本科学家长岛和茂（Kazushige Nagashima）带领的研究团队曾专门进行实验，对天气瓶的结晶条件和结晶成分进行了验证[1]。X射线衍射结果显示，天气瓶中美丽的结晶就是樟脑晶体，氯化铵与硝酸钾在这个体系中并不会发生结晶，但它们的存在可以提供晶核。实验还发现，环境电场、磁场、湿度、气压这些因素对瓶中晶体的生长都没有影响，真正造成影响的主要因素就是环境温度以及温度变化的速率。
天气瓶溶液中的结晶形态。图片来自参考资料1 在这个体系中，樟脑会在20~30℃区间内发生结晶，也就是说当温度从30℃开始下降时，就有可能出现结晶了。降温速率可以极大地影响结晶的形状，简单来说，如果降温速率很快，结晶体倾向于形成更多更长的分支，最终就像雪花一样，而降温很慢时，则倾向于针状晶体长有一些簇状分支，有些像鸡毛掸子的外形。由于樟脑晶体与冰一样为六方晶系，因此当降温速率较大时，结晶也为六瓣，形状非常像雪花。 除了温变速率的影响之外，研究者还发现，结晶与初始状态有关，从30℃降温至20℃时，结晶逐步增加，但从10℃升温到20℃时，结晶没有明显减少，两种方式的终点虽然一致，都是20℃，但外观上却有着明显差异，这进一步说明，结晶的状态需要考虑结晶过程，具有记忆性。即使将外界条件控制在20℃与30℃间周期性变化，那么初始状态分别为无晶体和有很多晶体的相同体系溶液，也会表现出不同的结果，初始状态没有结晶体的那一份需要在震荡多个周期后才能达到与另一份同等厚度的结晶，充分证明了“输在起跑线”这句话的正确性。 由此可见，瓶中晶体的变化至多只能反映环境温度的变化过程，而气压、湿度等其他预报天气的关键指标都无法得以体现。如果真要观察天气，天气瓶的作用恐怕还比不上一个温度计呢。 除了实验室中的原理分析以外，也有人实地验证过天气瓶预报天气的效果。问答网站the Straight Dope就做过这样一个小实验[2]。网站的两位工作人员制作了6个天气瓶，对它们在12周内的“预报成绩”进行了记录。为了放宽条件，这项实验中只考虑了晴天和下雨两种情况（分别对应瓶中无结晶和有结晶），并且规定只要天气瓶放置地点周围20英里以内出现0.01英寸的降水（0.25毫米）就可以算作下雨天气。最终的统计数字显示，天气瓶预测晴雨的准确率只有49%。即使把可能下雨而没下的阴天也算进去，这种预报的准确率平均也只有53%。虽然这不能算是严谨的科学研究，但也从一个侧面说明，天气瓶预报天气的效果确实比随便乱猜好不了多少。 天气瓶中的结晶确实很美丽，如果对结晶现象感兴趣，自己做一个放在家里，看着晶体生长又消融，也不失为一种乐趣。不过，在气象监测系统如此发达的今天，天气的事问它就不靠谱了。预报天气的任务，还是交给气象台吧。 参考资料： 1. Yasuko Tanaka, Koichi Hagano, Tomoyasu Kuno, Kazushige Nagashima. Pattern formation of crystals in storm glass. Journal of Crystal Growth, Volume 310, Issue 10, 1 May 2008, Pages 2668–2672 2. http://www.straightdope.com/columns/read/2963/can-storm-glasses-predict-the-weather 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Storm_glass
|
