天氣瓶：結晶好看，但與天氣無關

孫亞飛

天氣瓶是什么？

自古以來，各個農耕文明都極其重視歷法與氣象觀測。到了海洋文明時代，對氣象預測的需求更加提升——如果在海上突然遇上一場風暴可不是鬧著玩的。因此，在那個科技不發達的年代，人們開始積極地研究能夠反映天氣的設備。

大約在18世紀末期，一種叫作“風暴瓶”的天氣預報器出現了，據說它可以靈敏地感應環境中光、熱和氣壓這些參數的變化，一旦有了變天的先兆，瓶中的化學物質就會發生一系列變化，變得渾濁不清，長出形態各異的結晶來。現在所說的天氣瓶就是由此而來。

由于風暴瓶的很多原始資料都已散逸，最初的配方已無人知曉，甚至發明者是誰也已不可考，但這個發明在19世紀還是得到了不少科學界人士的改進。在風暴瓶的“研發史”上，最值得一提的人物是羅伯特·菲茨羅伊船長，正是他指揮的小獵犬號帶著達爾文進行了那次著名的環球考察。而相對不為人知的是，菲茨羅伊船長同時也是一位氣象學家，他進行了很多天氣預報和監測工作。菲茨羅伊也確定了風暴瓶的基本配方：蒸餾水、乙醇、樟腦、硝酸鉀與氯化銨，并將它用在了小獵犬號的航行當中。

根據當時的記載，人們相信這種配方的風暴瓶可以預測晴天、多云、風暴、大霧以及下雪等多種天氣狀況。據說判斷天氣的方法也非常簡單：如果瓶中的溶液清澈，那就會是晴天;如果呈現云狀，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，就是風暴要來了。

同一瓶溶液，為什么會出現不同的結晶形態？在實驗室玩過結晶的人都知道，長晶體可不是理論上說長什么樣就會長成什么樣的，很多細節因素都可能對結晶過程造成影響。一般來說，分析晶體生長的情況，主要需要考慮溶質自身的特性、溶液體系、溶質濃度、溫度以及溫變速率這些參數，實驗室里長晶體通常也都是從這些參數著手，添加不良溶劑、揮發、降溫、控制晶核都是常見的方法;有時候，電場、磁場、加壓等方式也能用于調整晶體生長。

具體到天氣瓶來說，到底有哪些因素影響它的結晶呢？這個問題已經有研究論文給出了答案。日本科學家長島和茂帶領的研究團隊曾專門進行實驗，對天氣瓶的結晶條件和結晶成分進行了驗證。X射線衍射結果顯示，天氣瓶中美麗的結晶就是樟腦晶體，氯化銨與硝酸鉀在這個體系中并不會發生結晶，但它們的存在可以提供晶核。實驗還發現，環境電場、磁場、濕度、氣壓這些因素對瓶中晶體的生長都沒有影響，造成影響的主要因素是環境溫度以及溫度變化的速率。

在這個體系中，樟腦會在20～30℃區間內發生結晶，也就是說當溫度從30℃開始下降時，就有可能出現結晶了。降溫速率可以極大地影響結晶的形狀，簡單來說，如果降溫速率很快，結晶體傾向于形成更多更長的分支，就像雪花一樣;而降溫很慢時，則傾向于針狀晶體長出一些簇狀分支，有些像雞毛撣子。由于樟腦晶體與冰一樣為六方晶系，因此當降溫速率較大時，結晶也為六瓣，形狀非常像雪花。

除了溫變速率的影響之外，研究者還發現，結晶與初始狀態有關，從30℃降溫至20℃時，結晶逐步增加，但從10℃升溫到20℃時，結晶沒有明顯減少，兩種方式的終點雖然一致，都是20℃，但外觀上卻有著明顯差異，這進一步說明，結晶的狀態需要考慮結晶過程。

結晶能反映天氣嗎？

隨著環境的變化，在天氣瓶中確實可以看到形態各異的結晶，這個過程看起來相當神奇，也很有美感，但它實在很難反映天氣的變化。

除了實驗室中的原理分析以外，也有人實地驗證過天氣瓶預報天氣的效果。問答網站“實訊息（The Straight Dope）”就做過這樣一個實驗。網站的兩位工作人員制作了6個天氣瓶，對它們在12周內的“預報成績”進行了記錄。為了放寬條件，這項實驗中只考慮了晴天和下雨兩種情況（分別對應瓶中無結晶和有結晶），并且規定只要天氣瓶放置地點周圍32千米以內出現0.25毫米的降水就可以算作下雨天氣。最終的統計數字顯示，天氣瓶預測晴雨的準確率只有49%。即使把可能下雨而沒下的陰天也算進去，這種預報的準確率平均也只有53%。雖然這不能算是嚴謹的科學研究，但也從一個側面說明，天氣瓶預報天氣的效果確實比隨便亂猜好不了多少。

天氣瓶中的結晶確實很美麗，如果對結晶現象感興趣，自己做一個放在家里，看著晶體生長又消融，也不失為一種樂趣。不過，在氣象監測系統如此發達的今天，天氣的事問它就不靠譜了。預報天氣的任務，還是交給氣象臺吧。