天气瓶：结晶好看，但与天气无关

孙亚飞

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。因此，在那个科技不发达的年代，人们开始积极地研究能够反映天气的设备。

大约在18世纪末期，一种叫作“风暴瓶”的天气预报器出现了，据说它可以灵敏地感应环境中光、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。

由于风暴瓶的很多原始资料都已散逸，最初的配方已无人知晓，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·菲茨罗伊船长，正是他指挥的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：如果瓶中的溶液清澈，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。

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、加压等方式也能用于调整晶体生长。

具体到天气瓶来说，到底有哪些因素影响它的结晶呢？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。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，造成影响的主要因素是环境温度以及温度变化的速率。

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，就像雪花一样;而降温很慢时，则倾向于针状晶体长出一些簇状分支，有些像鸡毛掸子。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。

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。

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“实讯息（The Straight Dope）”就做过这样一个实验。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32千米以内出现0.25毫米的降水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。