氣象學史：15.雪花的形狀

上文書我們講到蒲福退休了，當時正好是在1855年的1月底。這一年正好是遇到極端的低溫，雪下起來就沒完沒了，連達爾文都開始抱怨，他養的鳥都被凍死了80%，那一陣子他正在研究家養動物的變異，養了一大群鴿子，也許還有其他什麼鳥類，結果觀察對象死的差不多了。
别人都巴不得大雪天早點過去，但是隻有格萊舍對下大雪情有獨鐘，因為他突然對雪花産生了強烈的興趣。要是春天一來，天氣轉暖，不下雪了，那他就沒辦法研究了。 這個格萊舍還是挺有意思的，他當年對水蒸氣的凝結發生了興趣，對這個現象研究非常深入。結果沒幾年，他又對水蒸氣的結晶産生了興趣。雪花就是水蒸氣的結晶嘛。

最早對雪花結構産生興趣的其實是我們中國人。在西漢時代就有人發現雪花是6瓣的，普通花花草草的花朵差不多都是5瓣的。怎麼雪花就那麼奇怪呢？多新鮮啊，古人搞錯了呗。古人搞錯了兩個概念，雪花不是花，帶個花字兒就算？你怎麼不問麻花是幾瓣的？其次，普通的花花草草也不全是5瓣的。

花也不是隻有5瓣，6瓣的也很常見

不過我們的古人有一點算是說對了，那就是雪花是6瓣兒的。那雪花為什麼是6瓣的呢？反正咱們的古人好像對這件事沒多大興趣，管它幾瓣兒呢。但是歐洲有人對這件事非常感興趣，那就是曆史上著名的天文學家開普勒。 那年頭天文學家都是有贊助人的，要不然天文學家們天天吃啥喝啥呀。開普勒是神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世的禦用占星家，說白了就是個算卦的。按理說你跟着皇帝陛下混，那皇上他們家自然是有錢。可惜這位魯道夫二世經常拖欠了的工資。所以開普勒經常是窮的揭不開鍋。不過1611年的時候開普勒還是送給了魯道夫2世一篇論文。其中就有對于雪花形狀的思考。雪花的六角形結構背後必定是有原因的，這不可能是偶然的，要不然那麼多雪花，怎麼都是六角形的呢？ 在這篇論文裡面，他提出了一個猜想，叫做“開普勒猜想”，他和英國的一位天文學家托馬斯哈裡奧特經常通信，他們在探讨一個數學問題。哈裡奧特曾經在軍艦上當過領行員，1584年他曾經遇到一個問題，如果一大堆球形的炮彈要堆放在甲闆上，什麼樣的方法是最優化的，也就是說堆出來的體積最小最密實。當然也可以換一個問法，用什麼樣的填充方式才能夠往一個箱子裡塞進最多的小球呢？ 這種事兒其實不用計算，可以動手堆一堆試試看。哈裡奧特發現一樣大小的炮彈堆在一起就是一個類似金字塔的形狀，這個形狀是最密實的一種堆法了。

超市裡賣桔子的地方經常喜歡堆成這個樣子。那麼有沒有其他堆法呢？有關這個問題，他和開普勒通過書信往來曾經交換過意見。後來開普勒就提出了一個猜想，小球最緊密的排列方法，就是排列成六角形或者是四邊形。小球最多能占據74.05%的體積，中間的空隙再也消除不掉了。

這就是著名的開普勒猜想。你别覺得這個問題簡單啊，笛卡爾、牛頓、萊布尼茨、伯努利家族、歐拉都嘗試過這個問題，都沒能解決問題，數學家們都是杠精出身，堅決不能湊合。1900年希爾伯特曾經列舉了23個最重要的數學問題。開普勒猜想實際上是第18個數學問題的一部分。可見這個問題的難度。 倒是數學王子高斯曾經給出過一個證明，如果所有的小球必須排列得整整齊齊的，那麼開普勒的結論就是對的。那麼亂排行不行？會不會比開普勒這種規規矩矩的堆疊方法更好。有關這個問題，高斯也沒給出證明。 這個問題一直到2014年才得到徹底證明，開普勒就是正确的。這一次用的是電子計算機窮舉，算了好幾年，總數據量有3GB，程序說明都有幾百頁，12人的評審小組研究了好幾年才認定是正确的。 咱們扯遠了，扯回來。那麼開普勒為什麼要在讨論雪花形狀的論文裡面寫這個東西呢？因為開普勒預感到六角形的分布不是偶然的。如果把小水滴當做是一個一個的小球，如果這些小球緊密的堆在一起，到處都充滿了三角形結構。雪花的形狀跟這種堆疊方式是不是有關系呢？

水分子結構

開普勒當時隻能猜測。一直到300多年以後，科學家們才給出了答案。因為水是由一個氧原子和兩個氫原子組成的，但并不是排列在一條直線上，而是形成了一個104.5度的夾角。所以在水分子裡面電荷的分布是不平衡的。相反二氧化碳的電荷分布就非常平衡，人家兩個氧原子和一個碳原子就是老老實實排在一根直線上。 正因為水分子的結構是一個歪把子，所以堆疊在一起很容易形成六角形的結構。當然堆疊方式不止這一種，水分子的堆疊方式多了去了，這種比較常見而已。那麼水分子的這種微觀結構又是怎麼影響到了它的宏觀形狀？其實某種程度上，我們也可以用自然選擇來解釋這個現象。

你以為雪花是小雨滴凍結以後形成的，其實不是這樣的，雪花是水蒸氣直接凝結成了固體。小冰晶的内部水分子排列全都是六角形的。如果我們沒有按照它分子排列的紋理去切開。我們是胡亂切了一刀，那麼一定會有很多化學鍵被切斷，有些分子失去了旁邊的鄰居，他感到很孤單，他必須拉一個伴過來，所以水分子更容易凝結在這樣的分子旁邊。久而久之就把外形的缺損給填上了。一直填補到大家都不孤單，旁邊都有伴為止。這個形狀恰好就是六邊形的，所以，哪怕最開始不是6變形，最後時間長了也會自動變成6變形的。所以六邊形是冰晶的基礎結構。分子的微觀排列影響到了晶體的宏觀外形，晶體不就是分子排列的整整齊齊的嘛。 所以雪花的結構都是由一個一個非常微小的六角形的小冰晶為基礎的。晶體的6個角上是最容易有新的水分子加入大部隊。所以6個角上冰晶增長的要比邊線上更快，所以6個角就突出來了，以後6個角變長了以後，又會産生新的角，這些角上又開始不斷生長。這個過程我們可以用分形幾何來描述。最後一層一層堆疊就形成了雪花那種非常複雜，非常漂亮的形狀。

雪花的生長過程受到各種因素的影響。比如說溫度、濕度、光照，風等等。所以6個角不可能完全平均。這種生長過程充滿了蝴蝶效應。所以要想兩片雪花長得完全一樣，幾乎是不可能的。 我們是現代人，所以我們已經知道雪花的生長到底是怎麼一回事，但是對于格萊舍來講，他完全不知道。他隻能盡量去記錄雪花的形狀，但是雪花很容易融化。所以他隻能迅速把雪花的形狀畫下來。一個人畫都來不及，他妻子也得幫他畫。你别說他妻子是個博物學家，專門研究蕨類植物。那時候的博物學家基本上都是個素描繪畫的高手。所以妻子也幫他畫了很多幅雪花的圖片。但是到了3月份，春天來了，氣溫升高了，雪一點一點全都化掉了，格萊舍還挺戀戀不舍的。 格萊舍在這裡不慌不忙的研究它的雪花。但是其他人可就不像他這麼從容不迫了，法國的巴黎天文台台長了勒維耶這幾個月已經是忙的頭昏腦脹。從1853年開始，英國法國土耳其和俄國之間爆發了一場著名的戰争，就是克裡米亞戰争。英國，法國、土耳其這三個國家屬于一邊的，俄國屬于另一邊。

克裡米亞戰争期間的風暴

1854年的11月14日，英法聯軍包圍了克裡米亞的塞瓦斯托波爾。海軍陸戰隊也準備登陸作戰，配合陸軍一起攻打塞瓦斯托波爾要塞。11月份黑海的風暴出現的比較頻繁，所以英法聯軍對他們的軍艦的安全感到非常擔憂，特别是11月10号以後，風浪就已經開始增大了。 法國人覺得心裡有點不放心，他們建議把艦隊撤到博斯普魯斯海峽，也就是土耳其的伊斯坦布爾，如果有必要再把軍艦調回來。但是他們的動作實在是沒有天氣變化那麼迅速。13号天氣就已經變得非常壞了，他們就已經沒法兒渡過黑海到土耳其。 13号這一天可以說是風雨大作，但是到了傍晚，海面卻變得非常非常的平靜，到了14号一早，大風呼呼的就刮起來了，從西南方向刮向東北方向。風力差不多有11級。事後從各個軍艦的航海日志了解到，從早晨開始這氣壓就急劇下降，氣壓最低的時候可能是出現在上午11點左右，風力達到了最大，海面上可以說是狂風巨浪。這場大風過後，英國有21艘戰艦沉沒，有8艘被吹斷了桅杆，法國有16艘軍艦沉沒，雖然數量看起來比英國人的要少，但是沉沒的軍艦之中有當時被譽為法國海軍驕傲的旗艦亨利4世号，法國人心疼壞了。整個艦隊基本沒剩下啥船了。

克裡米亞戰争

那個冬天英法聯軍打得不順，盡管俄國人也沒守住塞瓦斯托波爾，但是英法聯軍也隻能說是慘勝。事後英國國内可以說是輿論嘩然，直接導緻阿伯丁内閣倒台。這場風弄得法國人也肝兒顫啊，法軍參謀部要求法國巴黎天文台台長勒維耶調查此事。這到底怎麼回事啊？ 勒維耶就開始動用他的觀測網絡了，馬上讓手下的去收集1854年11月12日到16日這5天的所有氣象報告。國内好說，國外呢？幸好他名氣大，他一一寫信去詢問，大家也都給他面子，他從國内外一共彙集了250份報告。 勒威耶把這些數據全部都填寫在了一張一張的大地圖上。按照時間順序來排列。那年頭沒有動畫，電影還沒發明呢，否則這些地圖都可以呈現動态效果了。 等到數據全部統計齊了，整個結果也就呈現出來了。發生在黑海的這場風暴，實際上來自于大西洋，自西向東橫掃了歐洲，在出事的前兩天，也就是11月的12号~13号，歐洲西部的西班牙和法國已經先後受到這場大風的影響。然後才一路橫掃歐洲，到了黑海，把英法的聯合艦隊給吹翻了。 所以勒維耶1855年的3月份向法國科學院提交有關這場風暴的報告。所以才提到要加強電報觀測網絡的問題，我們上一次講到法國人雄心勃勃，要建立最完善的觀測網絡，那是切切實實感受到了氣象學的重要性。風暴的移動速度畢竟不如電報來得快。如果歐洲沿海地區能把及時消息告訴遠在黑海的英法聯軍的話，那麼他們有可能就不必遭受這場特大風災了。 這個報告是1855年的事兒。提起英法聯軍，我們總覺得耳熟是吧。1855年是大清鹹豐5年，這一年小刀會起義失敗，黃河在銅瓦廂決堤，一轉頭奔了山東。從此黃河從山東入渤海，不再從蘇北進入黃海，這個局面一直維持到了今天。1856年，也就是大清鹹豐6年，英法結束了克裡米亞戰争，發動了第二次鴉片戰争。

第二次鴉片戰争

時間節點大緻能對上了吧。你瞧，人家都已經在用電報網絡組織天氣預警系統了，咱們還在幹啥呢，想想就憋氣。 菲茨羅伊還在組織管理他的氣象觀測網絡，研發新的儀器，而且還改進了彙報的表格，原來這張表格是莫裡設計的，菲茨羅伊給改了，還引發了莫裡的不愉快，他總是處不好這些人際關系。 每天都有大量的數據彙集到菲茨羅伊這裡，但是他手底下的人總是那麼少。而且他的官兒總是升不上去，盡管他的工作非常優秀，能力非常突出。就連他以前貝格爾号上的下屬，官兒都已經升得比他高了，可惜他就是原地踏步。 以前有蒲福在，總是可以幫他不少忙，這方面的事情蒲福可以幫他罩着點，現在蒲福也已經退休了。人家不願意在倫敦城裡住着，搬到了英吉利海峽邊上的一座小鎮休養去了。那年頭倫敦城裡真不是什麼好地方。不但環境嘈雜，而且還污水橫流，泰晤士河一陣一陣的泛出惡臭。 蒲福可算是無官一身輕，他經常在英吉利海峽邊的海灘上散步。但是還是保持着每天記錄氣象日志的習慣，雖然這些數據也沒人來看了。1857年的5月27日。他度過了自己83歲的生日。老頭身體顯得還不錯，思維還很活躍，他還經常和倫敦的朋友們通信。

蒲福的墓

但是，到了這年的年底，老頭身體垮了，健康狀況急轉直下。到了聖誕節左右，他的家人接到通知，趕緊來見他最後一面，老頭快不行了。大家看到蒲福就躺在那兒，雖然體力非常差，身體非常虛弱，但是腦子依然非常清晰。到了第2天晚上，他跟孩子們說他很累，想好好睡一覺，當天夜裡蒲福就在睡夢中平靜的離開了人間。 老一輩的人總要退場的，蒲福有了接班人菲茨羅伊，倒也算走的安心。1857年的2月份，威廉·雷德菲爾德也去世了。英國的裡德是他的好朋友，聽到這個消息，裡德也非常難過，畢竟他和雷德菲爾德認識已經20年了。第2年裡德也去世了。 托馬斯·福斯特和詹姆斯·埃斯皮也先後于1860年辭世。埃斯皮和雷德菲爾德以及裡德吵架吵了很多年。一直到了1856年，他們當年的那一場争論才算是塵埃落定。來自美國田納西州納什維爾的一個數學家教，威廉·費雷爾提出了一個理論，如果埃斯皮當年把地球的自轉考慮進去，就能夠解釋海上的風暴為什麼看起來像是個巨大的旋風。這就是地轉偏向力的作用。

加斯帕德-古斯塔夫·德·科裡奧利

最早闡述這個理論的是法國科學家科裡奧利，但是他當時研究的是旋轉物體之中的能量轉化和守恒問題。并沒有涉及氣象學，但是他沒想到他的研究對氣象學有多大的作用。一直到20世紀，科裡奧利力才變成了一個大家比較常用的物理學名詞。 隻有号稱現代氣象學之父的霍華德碩果僅存，老頭當時已經80多歲了，喜歡天天坐在窗口看雲彩，這就是他研究了一輩子的東西。他到1864年才去世。算是比較長壽的了。至此，俱往矣，數風流人物還看今朝。不是還有菲茨羅伊呢嘛，重擔就落在他的肩上了。 我們下次再說。