气象学史：15.雪花的形状

上文书我们讲到蒲福退休了，当时正好是在1855年的1月底。这一年正好是遇到极端的低温，雪下起来就没完没了，连达尔文都开始抱怨，他养的鸟都被冻死了80%，那一阵子他正在研究家养动物的变异，养了一大群鸽子，也许还有其他什么鸟类，结果观察对象死的差不多了。
别人都巴不得大雪天早点过去，但是只有格莱舍对下大雪情有独钟，因为他突然对雪花产生了强烈的兴趣。要是春天一来，天气转暖，不下雪了，那他就没办法研究了。 这个格莱舍还是挺有意思的，他当年对水蒸气的凝结发生了兴趣，对这个现象研究非常深入。结果没几年，他又对水蒸气的结晶产生了兴趣。雪花就是水蒸气的结晶嘛。

最早对雪花结构产生兴趣的其实是我们中国人。在西汉时代就有人发现雪花是6瓣的，普通花花草草的花朵差不多都是5瓣的。怎么雪花就那么奇怪呢？多新鲜啊，古人搞错了呗。古人搞错了两个概念，雪花不是花，带个花字儿就算？你怎么不问麻花是几瓣的？其次，普通的花花草草也不全是5瓣的。

花也不是只有5瓣，6瓣的也很常见

不过我们的古人有一点算是说对了，那就是雪花是6瓣儿的。那雪花为什么是6瓣的呢？反正咱们的古人好像对这件事没多大兴趣，管它几瓣儿呢。但是欧洲有人对这件事非常感兴趣，那就是历史上著名的天文学家开普勒。 那年头天文学家都是有赞助人的，要不然天文学家们天天吃啥喝啥呀。开普勒是神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世的御用占星家，说白了就是个算卦的。按理说你跟着皇帝陛下混，那皇上他们家自然是有钱。可惜这位鲁道夫二世经常拖欠了的工资。所以开普勒经常是穷的揭不开锅。不过1611年的时候开普勒还是送给了鲁道夫2世一篇论文。其中就有对于雪花形状的思考。雪花的六角形结构背后必定是有原因的，这不可能是偶然的，要不然那么多雪花，怎么都是六角形的呢？ 在这篇论文里面，他提出了一个猜想，叫做“开普勒猜想”，他和英国的一位天文学家托马斯哈里奥特经常通信，他们在探讨一个数学问题。哈里奥特曾经在军舰上当过领行员，1584年他曾经遇到一个问题，如果一大堆球形的炮弹要堆放在甲板上，什么样的方法是最优化的，也就是说堆出来的体积最小最密实。当然也可以换一个问法，用什么样的填充方式才能够往一个箱子里塞进最多的小球呢？ 这种事儿其实不用计算，可以动手堆一堆试试看。哈里奥特发现一样大小的炮弹堆在一起就是一个类似金字塔的形状，这个形状是最密实的一种堆法了。

超市里卖桔子的地方经常喜欢堆成这个样子。那么有没有其他堆法呢？有关这个问题，他和开普勒通过书信往来曾经交换过意见。后来开普勒就提出了一个猜想，小球最紧密的排列方法，就是排列成六角形或者是四边形。小球最多能占据74.05%的体积，中间的空隙再也消除不掉了。

这就是著名的开普勒猜想。你别觉得这个问题简单啊，笛卡尔、牛顿、莱布尼茨、伯努利家族、欧拉都尝试过这个问题，都没能解决问题，数学家们都是杠精出身，坚决不能凑合。1900年希尔伯特曾经列举了23个最重要的数学问题。开普勒猜想实际上是第18个数学问题的一部分。可见这个问题的难度。 倒是数学王子高斯曾经给出过一个证明，如果所有的小球必须排列得整整齐齐的，那么开普勒的结论就是对的。那么乱排行不行？会不会比开普勒这种规规矩矩的堆叠方法更好。有关这个问题，高斯也没给出证明。 这个问题一直到2014年才得到彻底证明，开普勒就是正确的。这一次用的是电子计算机穷举，算了好几年，总数据量有3GB，程序说明都有几百页，12人的评审小组研究了好几年才认定是正确的。 咱们扯远了，扯回来。那么开普勒为什么要在讨论雪花形状的论文里面写这个东西呢？因为开普勒预感到六角形的分布不是偶然的。如果把小水滴当做是一个一个的小球，如果这些小球紧密的堆在一起，到处都充满了三角形结构。雪花的形状跟这种堆叠方式是不是有关系呢？

水分子结构

开普勒当时只能猜测。一直到300多年以后，科学家们才给出了答案。因为水是由一个氧原子和两个氢原子组成的，但并不是排列在一条直线上，而是形成了一个104.5度的夹角。所以在水分子里面电荷的分布是不平衡的。相反二氧化碳的电荷分布就非常平衡，人家两个氧原子和一个碳原子就是老老实实排在一根直线上。 正因为水分子的结构是一个歪把子，所以堆叠在一起很容易形成六角形的结构。当然堆叠方式不止这一种，水分子的堆叠方式多了去了，这种比较常见而已。那么水分子的这种微观结构又是怎么影响到了它的宏观形状？其实某种程度上，我们也可以用自然选择来解释这个现象。

你以为雪花是小雨滴冻结以后形成的，其实不是这样的，雪花是水蒸气直接凝结成了固体。小冰晶的内部水分子排列全都是六角形的。如果我们没有按照它分子排列的纹理去切开。我们是胡乱切了一刀，那么一定会有很多化学键被切断，有些分子失去了旁边的邻居，他感到很孤单，他必须拉一个伴过来，所以水分子更容易凝结在这样的分子旁边。久而久之就把外形的缺损给填上了。一直填补到大家都不孤单，旁边都有伴为止。这个形状恰好就是六边形的，所以，哪怕最开始不是6变形，最后时间长了也会自动变成6变形的。所以六边形是冰晶的基础结构。分子的微观排列影响到了晶体的宏观外形，晶体不就是分子排列的整整齐齐的嘛。 所以雪花的结构都是由一个一个非常微小的六角形的小冰晶为基础的。晶体的6个角上是最容易有新的水分子加入大部队。所以6个角上冰晶增长的要比边线上更快，所以6个角就突出来了，以后6个角变长了以后，又会产生新的角，这些角上又开始不断生长。这个过程我们可以用分形几何来描述。最后一层一层堆叠就形成了雪花那种非常复杂，非常漂亮的形状。

雪花的生长过程受到各种因素的影响。比如说温度、湿度、光照，风等等。所以6个角不可能完全平均。这种生长过程充满了蝴蝶效应。所以要想两片雪花长得完全一样，几乎是不可能的。 我们是现代人，所以我们已经知道雪花的生长到底是怎么一回事，但是对于格莱舍来讲，他完全不知道。他只能尽量去记录雪花的形状，但是雪花很容易融化。所以他只能迅速把雪花的形状画下来。一个人画都来不及，他妻子也得帮他画。你别说他妻子是个博物学家，专门研究蕨类植物。那时候的博物学家基本上都是个素描绘画的高手。所以妻子也帮他画了很多幅雪花的图片。但是到了3月份，春天来了，气温升高了，雪一点一点全都化掉了，格莱舍还挺恋恋不舍的。 格莱舍在这里不慌不忙的研究它的雪花。但是其他人可就不像他这么从容不迫了，法国的巴黎天文台台长了勒维耶这几个月已经是忙的头昏脑胀。从1853年开始，英国法国土耳其和俄国之间爆发了一场著名的战争，就是克里米亚战争。英国，法国、土耳其这三个国家属于一边的，俄国属于另一边。

克里米亚战争期间的风暴

1854年的11月14日，英法联军包围了克里米亚的塞瓦斯托波尔。海军陆战队也准备登陆作战，配合陆军一起攻打塞瓦斯托波尔要塞。11月份黑海的风暴出现的比较频繁，所以英法联军对他们的军舰的安全感到非常担忧，特别是11月10号以后，风浪就已经开始增大了。 法国人觉得心里有点不放心，他们建议把舰队撤到博斯普鲁斯海峡，也就是土耳其的伊斯坦布尔，如果有必要再把军舰调回来。但是他们的动作实在是没有天气变化那么迅速。13号天气就已经变得非常坏了，他们就已经没法儿渡过黑海到土耳其。 13号这一天可以说是风雨大作，但是到了傍晚，海面却变得非常非常的平静，到了14号一早，大风呼呼的就刮起来了，从西南方向刮向东北方向。风力差不多有11级。事后从各个军舰的航海日志了解到，从早晨开始这气压就急剧下降，气压最低的时候可能是出现在上午11点左右，风力达到了最大，海面上可以说是狂风巨浪。这场大风过后，英国有21艘战舰沉没，有8艘被吹断了桅杆，法国有16艘军舰沉没，虽然数量看起来比英国人的要少，但是沉没的军舰之中有当时被誉为法国海军骄傲的旗舰亨利4世号，法国人心疼坏了。整个舰队基本没剩下啥船了。

克里米亚战争

那个冬天英法联军打得不顺，尽管俄国人也没守住塞瓦斯托波尔，但是英法联军也只能说是惨胜。事后英国国内可以说是舆论哗然，直接导致阿伯丁内阁倒台。这场风弄得法国人也肝儿颤啊，法军参谋部要求法国巴黎天文台台长勒维耶调查此事。这到底怎么回事啊？ 勒维耶就开始动用他的观测网络了，马上让手下的去收集1854年11月12日到16日这5天的所有气象报告。国内好说，国外呢？幸好他名气大，他一一写信去询问，大家也都给他面子，他从国内外一共汇集了250份报告。 勒威耶把这些数据全部都填写在了一张一张的大地图上。按照时间顺序来排列。那年头没有动画，电影还没发明呢，否则这些地图都可以呈现动态效果了。 等到数据全部统计齐了，整个结果也就呈现出来了。发生在黑海的这场风暴，实际上来自于大西洋，自西向东横扫了欧洲，在出事的前两天，也就是11月的12号~13号，欧洲西部的西班牙和法国已经先后受到这场大风的影响。然后才一路横扫欧洲，到了黑海，把英法的联合舰队给吹翻了。 所以勒维耶1855年的3月份向法国科学院提交有关这场风暴的报告。所以才提到要加强电报观测网络的问题，我们上一次讲到法国人雄心勃勃，要建立最完善的观测网络，那是切切实实感受到了气象学的重要性。风暴的移动速度毕竟不如电报来得快。如果欧洲沿海地区能把及时消息告诉远在黑海的英法联军的话，那么他们有可能就不必遭受这场特大风灾了。 这个报告是1855年的事儿。提起英法联军，我们总觉得耳熟是吧。1855年是大清咸丰5年，这一年小刀会起义失败，黄河在铜瓦厢决堤，一转头奔了山东。从此黄河从山东入渤海，不再从苏北进入黄海，这个局面一直维持到了今天。1856年，也就是大清咸丰6年，英法结束了克里米亚战争，发动了第二次鸦片战争。

第二次鸦片战争

时间节点大致能对上了吧。你瞧，人家都已经在用电报网络组织天气预警系统了，咱们还在干啥呢，想想就憋气。 菲茨罗伊还在组织管理他的气象观测网络，研发新的仪器，而且还改进了汇报的表格，原来这张表格是莫里设计的，菲茨罗伊给改了，还引发了莫里的不愉快，他总是处不好这些人际关系。 每天都有大量的数据汇集到菲茨罗伊这里，但是他手底下的人总是那么少。而且他的官儿总是升不上去，尽管他的工作非常优秀，能力非常突出。就连他以前贝格尔号上的下属，官儿都已经升得比他高了，可惜他就是原地踏步。 以前有蒲福在，总是可以帮他不少忙，这方面的事情蒲福可以帮他罩着点，现在蒲福也已经退休了。人家不愿意在伦敦城里住着，搬到了英吉利海峡边上的一座小镇休养去了。那年头伦敦城里真不是什么好地方。不但环境嘈杂，而且还污水横流，泰晤士河一阵一阵的泛出恶臭。 蒲福可算是无官一身轻，他经常在英吉利海峡边的海滩上散步。但是还是保持着每天记录气象日志的习惯，虽然这些数据也没人来看了。1857年的5月27日。他度过了自己83岁的生日。老头身体显得还不错，思维还很活跃，他还经常和伦敦的朋友们通信。

蒲福的墓

但是，到了这年的年底，老头身体垮了，健康状况急转直下。到了圣诞节左右，他的家人接到通知，赶紧来见他最后一面，老头快不行了。大家看到蒲福就躺在那儿，虽然体力非常差，身体非常虚弱，但是脑子依然非常清晰。到了第2天晚上，他跟孩子们说他很累，想好好睡一觉，当天夜里蒲福就在睡梦中平静的离开了人间。 老一辈的人总要退场的，蒲福有了接班人菲茨罗伊，倒也算走的安心。1857年的2月份，威廉·雷德菲尔德也去世了。英国的里德是他的好朋友，听到这个消息，里德也非常难过，毕竟他和雷德菲尔德认识已经20年了。第2年里德也去世了。 托马斯·福斯特和詹姆斯·埃斯皮也先后于1860年辞世。埃斯皮和雷德菲尔德以及里德吵架吵了很多年。一直到了1856年，他们当年的那一场争论才算是尘埃落定。来自美国田纳西州纳什维尔的一个数学家教，威廉·费雷尔提出了一个理论，如果埃斯皮当年把地球的自转考虑进去，就能够解释海上的风暴为什么看起来像是个巨大的旋风。这就是地转偏向力的作用。

加斯帕德-古斯塔夫·德·科里奥利

最早阐述这个理论的是法国科学家科里奥利，但是他当时研究的是旋转物体之中的能量转化和守恒问题。并没有涉及气象学，但是他没想到他的研究对气象学有多大的作用。一直到20世纪，科里奥利力才变成了一个大家比较常用的物理学名词。 只有号称现代气象学之父的霍华德硕果仅存，老头当时已经80多岁了，喜欢天天坐在窗口看云彩，这就是他研究了一辈子的东西。他到1864年才去世。算是比较长寿的了。至此，俱往矣，数风流人物还看今朝。不是还有菲茨罗伊呢嘛，重担就落在他的肩上了。 我们下次再说。