天氣瓶：結晶好看，但與天氣無關

最近，一種叫做「天氣瓶」的小玩意兒又在網路上流行起來。網上的介紹說，這種裝在玻璃瓶里的透明溶液會隨著天氣的變化長出各種漂亮的結晶，從結晶的形態還能看出是否要陰天下雨。這個小瓶子真有反映天氣的神奇功能嗎？

天氣瓶是什麼？

自古以來，各個農耕文明都極其重視曆法與氣象觀測。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。正因為如此，在那個科技還不算髮達的年代，人們就開始積極地研究能夠反映天氣的設備了。

大約在18世紀末期，一種被叫做「風暴瓶」（Storm Glass）的天氣預報器出現了，據說它可以靈敏地感應大氣環境中光、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。

一個典型的天氣瓶（風暴瓶）。圖片來自：getdatgadget.com

由於風暴瓶的很多原始資料都已散逸，最初的配方如何已無人知曉，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（Robert Fitzroy）船長，正是他指揮的三桅帆船「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，並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、多雲、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：如果瓶中清澈，那就會是晴天；如果呈現雲狀，那就代表多雲；倘若雲狀液體還拖著星狀分佈的沉澱，那不用說，就是風暴要來了。這樣的描述，看起來還真與《水知道答案》有幾分相像。

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。

同一瓶溶液，為什麼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麼樣就會長成什麼樣的，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、加壓等方式也會用於調整晶體生長。但即便如此，還是會出現很多意外，比如一粒肉眼不怎麼看得見的PM2.5灰塵掉落到過飽和溶液里，這突然出現的晶核就可能立即打亂之前的所有工作。

具體到天氣瓶來說，到底有哪些因素影響著它的結晶呢？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（Kazushige Nagashima）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[1]。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並不會發生結晶，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，真正造成影響的主要因素就是環境溫度以及溫度變化的速率。

天氣瓶溶液中的結晶形態。圖片來自參考資料1

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，結晶體傾向於形成更多更長的分支，最終就像雪花一樣，而降溫很慢時，則傾向於針狀晶體長有一些簇狀分支，有些像雞毛撣子的外形。由於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，具有記憶性。即使將外界條件控制在20℃與30℃間周期性變化，那麼初始狀態分別為無晶體和有很多晶體的相同體系溶液，也會表現出不同的結果，初始狀態沒有結晶體的那一份需要在震蕩多個周期后才能達到與另一份同等厚度的結晶，充分證明了「輸在起跑線」這句話的正確性。

由此可見，瓶中晶體的變化至多只能反映環境溫度的變化過程，而氣壓、濕度等其他預報天氣的關鍵指標都無法得以體現。如果真要觀察天氣，天氣瓶的作用恐怕還比不上一個溫度計呢。

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the Straight Dope就做過這樣一個小實驗[2]。網站的兩位工作人員製作了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），並且規定只要天氣瓶放置地點周圍20英里以內出現0.01英寸的降水（0.25毫米）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，自己做一個放在家裡，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，還是交給氣象台吧。