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气象学史:01.看云识天气

 科学声音 2021-11-14

我中学的时候曾经参加过一个气象兴趣小组。我曾经也想着这个兴趣小组应该能接触到很多好玩的仪器,比如说温度表,比如说测量干湿度的仪器,气象观测嘛,总少不了那个百叶箱, 那时候总觉得这个箱子里的东西挺神秘的。我从小对这些能动手的玩意儿就有浓厚的兴趣。

老式百叶箱的内部

但是后来我还是挺失望的,因为这个气象小组根本就不搞这些玩意儿。老师跟我们交了底,原来是那时候区里搞了一个气象知识竞赛。学校为了应付这次知识竞赛临时组织了几个人,其中就有我一个。所以,我们当时主要工作就是死记硬背一大堆气象知识,也就是背了一大堆的气象谚语。当时老师还从图书馆借了一本很厚的中国云图,整本书都是大幅照片。以风光摄影的眼光来看,照片拍的到是真漂亮。从那本厚厚的画册上,我看到了各种各样稀奇古怪的云。
不过最后这件事儿还是虎头蛇尾了。因为参加的学校太少,最后这次比赛撤销。所以我们等于是白折腾了那么久。想想我们几个背了那么多谚语,一条都用不上,实在是太憋屈了。

天上钩钩云,地上雨淋淋

不过我日后也就养成了一个习惯,经常也会看着天上的云,猜测一下未来的天气会如何发展。反正背了不少的谚语,说不定就有哪条对上了。比如说“天上钩钩云,地下雨淋淋”。还有另外一种说法,是“天上钩钩云,三日雨淋淋”。我还真的注意了一下,如果我真的在夕阳西下的时候看到了钩钩云,下雨往往是在第3天。

“鱼鳞天”实际上就是卷积云

还有一句话叫“鱼鳞天,不雨也风癫”。如果你看到高空中有一排排细碎云朵,就像鱼鳞一样排的整整齐齐,那么天气很快就要转坏。这就是所谓的鱼鳞天。这种事儿我在北京还真的遇到过,看到鱼鳞天,没过多久就下了阵雨。
不过有些谚语描述的景象我在北京始终没机会看到,比如说“红云过顶,赶快收艇”。如果你在海边看到这种天象的话,往往意味着台风就要来了。台风实际上是一个大型低压系统,它的云系可以延伸到很远的范围之内。在夕阳的照射下,这些云朵就显得特别的鲜艳,特别的红。所以南海周边的渔民就总结出了这条谚语。
北京不是海边,自然是看不到这种现象。不过今年我在上海倒是看到了一次。台风烟花的威力是真的挺强的,而且走的还慢,磨磨蹭蹭的。台风中心还离得老远,外围云系就已经扫到了上海周边。

“烟花”到来之前的绚烂晚霞

上海出现了空气极度清澈透明的“水晶天”,天上的云像跑马一样,夕阳下也出现了灿烂的晚霞。要知道,哪怕是比较小的云朵也包含几百吨水。那种山一样的积雨云,动辄就上百万吨。这些云朵是一溜小跑,去了河南陕西。所以今年河南、山西、陕西等等很多地方都闹了水灾。过了几天,烟花在东南沿海登陆,上海基本上就是首当其冲,那天雨下的是真大。
所以天气预报对我们人类来讲是非常重要的一件事儿。古人也想把天气变化的规律搞清楚,所以才有了这么多谚语。对于沿海的渔民来讲,看云识天气是一个基本的需求,如果这件事你搞不定,很可能你连命都保不住。这些谚语还是有一定准确性的,毕竟是长期的经验总结。
但是,你并不能只靠这些谚语来预报天气。说实话,这些谚语时灵时不灵。像诸葛亮那样,靠夜观天象就能做出精确的天气预报,说实话我是没那个本事。这事儿我自己也尝试过啊,我在北京的时候,勉强可以猜中一半儿,到了上海,准确率就急剧下滑,看来这些谚语也有地域限制。后来就索性不玩儿了。

亚里士多德的《气象通典》

对于天气预报的渴望,其实全世界各个民族都差不多。我国古代对气候和气象的而研究主要是在研究变化,所以才有24节气这种概念的出现。古希腊人则关注于各地气候的差异性。那帮哲学家喜欢坐在屋子里思辨,他们喜欢根据逻辑学来推断。古希腊的哲学家亚里士多德就在逻辑学的基础上开始了对气象学的研究。他写了一部气象学专著叫《气象通典》。他的思维方式就与我们的古人这种总结经验的想法就不太一样了,他在前人的基础上建立了一个简单的气候模型。那就是把地球划分成不同的气候带。
古希腊人已经提出了地圆说,他们知道大地不是平的,是个球,所以各个地方的光照情况是不一样的。古希腊人认为,如果阳光长时间直射这个地方就会比较热,如果阳光长时间斜射这个地方就会比较冷。一下就把气候温度的问题变成了一个几何学问题。所以当时有些哲学家认为地球上一定存在无夏区和无冬区。
说白了就是有的地方一年从头到尾都很热,没有冬天,所以叫“无冬区”。有的地方从头到尾都很冷,根本就没有夏天,所以叫“无夏区”。亚里士多德在他的书里面对这些理论作了总结和提炼。后来又有人从亚里士多德的观点这里做了进一步的细化。把地球划分成5个气候带。中间是热带,南北各有一个温带,各有一个寒带。这种简单粗略的划分方式一直延续到了现在,我们现在基本上还是这样划分的。

亚里士多德

亚里士多德另外一个重要的判断就是水是在循环往复的。他在《气象通典》里面谈到过,一切变化都是循环出现的,比如说水从海面蒸发到空中,然后变成雨落下来,最终七拐八弯的还是要回到大海里。可以说,亚里士多德的这个判断也是准确的。
不过亚里士多德也犯了很多错误。在那个时代,西方流行的是4元素说。一切东西都是“水、火、土、气”4种元素组成的。所以亚里士多德在解释天气现象的时候,也把这4种东西往上怼。而且他们也搞不清楚太空里的事儿和大气层里的事相距多远。不光是他们搞不清,其实我们中国人也不太搞得清楚。诸葛亮夜观天象的时候是连云彩带星星一块,看丝毫也没觉得这两者八竿子打不着。
古代的西方长期以来把天空分成三层,最上面是火层,顾名思义,这个地方很热。靠近地面的地方,因为有阳光的照耀,这个地方也很暖和,所以叫暖层。中间就属于13不靠,姥姥不疼,舅舅不爱,所以中间就是冷层,这叫“三际说”。
这种学说认为地面受太阳光的烘烤,冒出的蒸汽,湿而冷。上升过程中凝结成水,变成了雨雪冰霜,变成了云雾。同时地面也会冒出烟气。这些烟气透过气圈而上升到火圈,成为可点燃物。天球旋转会产生热,而且太阳也很热。热量传入火圈,点燃其中的易燃物,所以就出现了雷电啊,彗星啊,流星啊,等等乱七八糟的东西。
至于这些层的厚度,靠近赤道的地方暖层就比较厚,靠近两极暖层就比较薄。反正古人就是把天上的东西分成了若干个层。从雨雪风霜到日月星辰,各有各的层次。整个宇宙就是这么圈圈套圈圈的转动。后来利玛窦把这个学说翻译成中文的时候还是偷工减料省掉了一部分。那就是火圈为什么是热的。他觉得这个问题就不用解释了,你死记硬背,记住了是热的就行了。至于天球为什么会转?那就是第一推动给推的。

四元素说

所以这套学说到了文艺复兴以后就逐渐的开始没落,首先这套理论跟日心说就对不上。到了近代,4元素说也被抛弃,“水火土气”之类的玩意儿早就被扔进垃圾堆了。这帮古代哲学家们最喜欢干的事情就是坐而论道。一切都用哲学思辨和逻辑推理去进行研究。他们从来也不太会亲自去测量温度。当然,那年头温度表还没发明呢,也不能怪他们。但是后世的科学家们。可不能容忍继续像他们这样做而论道。所以对天气的研究就必须寻找新的方法和新的手段。
你再模模糊糊的去描述天气,那是不行的,你说今天天气不错,啥叫不错啊?你说今天天气很冷,啥叫冷?你说今天风平浪静,啥叫风平浪静?这些形容词都不足以精确的描述天气。需要对天气做定量测量,做详细的记录。提到这件事,我们就不得不提到一个人,这个人就是蒲福。
蒲福的祖上是法国人,因为法国16世纪闹教派冲突,他们家信胡格诺派,恰好是被打压的那一派。所以蒲福的先辈们就跑了,逃离了法国,最后在爱尔兰定居。所以蒲福其实是爱尔兰人。只是当时爱尔兰是在英国的统治之下,他也算是英国人。

月晕

蒲福从小对什么东西都感兴趣,尤其喜欢科学,14岁的时候,有一天他躺在屋子里面看着窗外的星空。他发现月亮周围有一个美丽的光圈。他此前从来没见过,所以他就给画下来了,而且还记录了观测的时间,这种信息都是很有用的。你别说,这是他的一个良好习惯,很多事情他都会做记录,文字说不清楚,那就用笔画。
现在我们都知道,这种现象叫月晕。常言说得好,日晕三更雨,月晕午时风,这说明未来的天气要转坏。不过这种谚语并不是太准,经常会落空。因为出现日晕或者是月晕,往往跟高层的云有关。只有在5千~1万米的高空出现一层很薄的云,才会出现日晕或者是月晕。云里面都是很微小的冰晶,而不是小水滴。冰晶都是六棱柱型,就像三棱镜一样分解了光线。所以我们才在太阳或者是月亮周围看到了这种光圈。出现这种富含冰晶的云彩,往往就是风雨天气的预兆。但是下不下雨,高层云说了不算,这事还要看中低层云的发展,所以这种预测经常落空。

晕的形成原理

蒲福的父亲交友范围还是挺广的,但是这个人有个臭毛病,那就是花钱比挣钱快,所以他们家经常欠债,为了躲债,他们家经常搬家,经常是东躲西藏的。所以蒲福也不能正常上学,只能家自学。到1788年,他父亲的人脉关系终于发挥了一点作用。给他安排了一间私塾去读,不是正规学校。但是这个私塾先生可了不得,他是都柏林圣三一学院的天文学教授亨利·艾舍尔。那时候蒲福也还是个十几岁的半大孩子,他会按时穿过热闹的街道来到了都柏林城外6.4公里的丹辛克天文台。这个天文台是当时爱尔兰最好的天文台了,这就是蒲福上课的地方。

丹辛克天文台

蒲福到了这个地方简直是如鱼得水,当时正好碰上赫歇耳发现天王星。所以掀起了一阵天文学研究的热潮。他在天文台不但学到了大量的知识,还学会了观测星星,而且学会了用六分仪测量经纬度。
在当时天文观测和航海是分不开的,因为在海上确定自己的经纬度是一个非常重要的工作,这个活是个技术活,而且离不开天文学知识。蒲福5岁起,就立志要当个水手,到全世界去冒险,那多来劲啊。现在,蒲福经过1年的学习,差不多对测量经纬度非常精通了,他就憋不住想出去闯荡一下。到了1789年,借助父亲的人脉关系,他就在一艘东印度公司的商船范西塔特号上谋到了一个职位。
当时他还是个半大孩子,上了船以后第1件事儿就是晕船,吐的一塌糊涂,这段日子其实挺难熬的,但是过了三个礼拜以后他大概适应了。就正式承担起了每天中午测量纬度的工作。他对船上的所有东西都很新鲜,因为很多东西他都没见过。而且听水手们讲航海故事,也是很爽的一件事。

1780年的巴达维亚

这艘船一路航行到了荷属东印度群岛的巴达维亚,也就是现在的雅加达。蒲福已经对自己的观测能力很有把握了。他觉得雅加达的经纬度测错了,所以就借来了一个六分仪,自己测了一遍,他把雅加达的纬度修正了4.8公里。这个数值其实很小,但是他还是蛮自豪的。
范西塔特号还需要继续向前航行。但是离开巴达维亚港口没几天,就在加斯帕海峡撞上了浅滩,这次事故据说是因为海图不准导致的,整艘船都沉了,船上装的货物价值9万英镑,就这么打水漂了。要知道1761年,乔治三世买下白金汉宫也只不过花了2.1万英镑。那年头英国实行金本位,虽然时间上相差了快30年,但是英镑的价值没太大变化。我们大致可以知道9万英镑是多大一个数字。
反正船是沉了,蒲福算是命大,居然游回了海边。当地有好多的海盗,如果再遇上海盗打劫,这条命就保不住了,人家蒲福运气就是好。人家居然就这么完完整整的跑回来了。
后来蒲福又漂泊了一段时间,最终回到英国,加入了皇家海军。他参加了英国和法国在比斯开湾的一次重要海战,他表现非常英勇。后来还参加了在大西洋和地中海上对法国和西班牙的小规模战斗。1791年,他开始在皇家海军的拉托纳号上服役。在此期间,蒲福开始记录详细的航海日志。其中就包括他对天气的记录,一开始他记录的内容还是很简单的,比如说,某一天的记录也就是三句话,天气温和,微风,晴见多云。其实也就是用语言描述了温度、风力、天空云量,但是语言嘛,都是不精确的。

老年的蒲福

1792年,他在阿奇龙号上服役的时候,航海日志记录就扩展到了8项。记录的东西更加详细。他还在海上建了个图书馆,里面什么书都有,甚至包括吉本的《罗马帝国衰亡史》以及亚当·斯密的《国富论》,船上都有。而且他精通好几门语言,法语和拉丁语都不含糊,做笔记的时候可以用意大利语和希腊语来写。
反正在后面的几年里,蒲福的职位一再升迁,他是一个优秀的导航专家,同时也是一个非常和蔼可亲的领导者,很快他就成为军官。1800年10月份,他们所在的军舰对西班牙的一艘双桅帆船进行了突袭。他带着人爬到了对方的后甲板上。刚爬上去就挨了人家一枪,距离非常近。一回头发现又有一个敌人拎着刀就冲上来,冲他脑袋就砍了一刀。好在他帽子比较大,还有点缓冲作用,否则这脑袋就真开了瓢了。没办法,身先士卒就是容易受伤,人家不打你打谁啊?救你官儿大。所以啊,一张下来,蒲福这叫一个惨啊,浑身上下受了十九处伤。有三根手指头完全没了知觉。浑身上下大窟窿小眼的一大堆,都是散弹枪打的,最大的窟窿足够塞进一个墨水瓶。你别说,蒲福的命是真硬,居然就没死。
伤重成这样,只能回到直布罗陀去养伤,后来又转到了葡萄牙的首都里斯本。等到1802年,他回到英国本土的时候,英国和法国之间的战争已经告一段落,英国不再需要那么多的海军了,所以像蒲福这样的军人已经没有了用武之地。所以呢,他就听从了海军大臣圣文森特伯爵的建议,先晋升为海军中校,然后拿着半数薪水解甲归田。到手的退休金每年只有45英镑12先令6便士,这点钱目前看来生活还算过得下去。
远离了大海,远离了战场,蒲福不知道自己该干什么。他给自己心仪已久的姑娘写了很多信,但每回都是石沉大海,没人理他。他还花了很长的时间去磨眼镜片,修理眼镜。反正闲着也是闲着,他现在没事干。这个时候他才28岁,就已经处于退休状态了。人一旦退了休,就意味着没有任何一件事是你的工作,没有任何一件事是正经事。要想打发掉那么多时间,那就必须得拿不正经的事当正经事去做。所以他只能没完没了的给人写信,只能没完没了的去磨眼镜片。那段时间是他最消沉的日子。
但是,转过年来,1803年,他的姐夫来找他了。这一下终于把他从这种颓废的状态中解脱出来了,那他的姐夫来找他干什么呢?我们下回再说。

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