科学史评话 公开
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叶笃正也是芝加哥学派培养出来的。罗斯贝最出名的气象学成就就是罗斯贝波嘛。这个理论我们以前讲过,罗斯贝用了一个简单的公式来描述大气在行星尺度上的主要运动特征。这个大气长波的波峰波谷对地面的天气影响巨大。预测这些波如何移动,就能预测地面的天气。 但是,波是非常复杂的,经常是不同波长的波叠加在一起,就像七色光叠加成白光一样。罗斯贝波描述的波非常单纯,要是很多不同波长的波叠加在一起会出现什么情况呢?这个工作就是叶笃正做的。1948年,叶笃正的博士论文《大气中的能量频散》讲的就是这档子事儿。 叶笃正发现,合成波比单纯波相速度更快,上游大气发生变动,能量会非常快的传递给下游。这个传递过程比空气本身的流动要快得多。利用这个理论,可以帮助大家理解西风带不同地点大气变化之间的联系。 比如说,冬季东亚的大规模冷…
 
1975年的7月24日,美国东方航空的66号航班正从新奥尔良飞往纽约肯尼迪国际机场。当时纽约地区有雷雨,下午4点多,这架波音727客机准备降落。当时的风不大,能见度很差,需要使用仪表盲降,不过呢,反正前面就是机场跑道,应该问题不大。就在这架727客机对准跑道准别降落的时候,突然之间来了一阵狂风暴雨,本来飞机降落,机头都是略略上翘的,这倒好,飞机就像是被一股巨大的力量砸了一下,突然头一低,直接砸向地面。结果,这架飞机在距离跑道只有800米地方摔成了个大火球。飞机上124人,只有11人生还。这次事故成了那年最严重的一次空难。 后来,国家航空安全委员会得出的结论是机组明知气候恶劣,依然选择降落,塔台也没有坚决制止,他们都有责任。但是,还是有人觉得奇怪,为什么飞机会砸向地面,事故调查结果是飞机遇上了…
 
洛伦兹发现有很多方程式对输入的数值非常敏感。哪怕输入的数值稍微变了一点点,结果也会大相径庭。可是测量误差是无法避免的,如果用这些公式做天气预报的话。时间长了,偏差就会变得非常离谱。你要计算遥远的未来某一瞬间的状态,也就变得根本不可能了。用洛伦兹的原话来说,由于天气观测之中存在着不明显的不精确性和不完全性,非常长期的天气预报是不可能的。 这篇论文影响深远,成为混沌理论的基础,一开始没几个人引用他的论文,但是过了20年,引用次数就变成了每年几百次。到现在一共有多少人引用过,那就不好算了,反正很多。一开始,洛伦兹把他的发现比喻为海鸥的飞翔引发了暴风雨。但是后来他觉得这个比喻不太刺激。他接受了一位朋友的建议,换了一种说法,那就是“巴西的一只蝴蝶拍打一下翅膀,会在德克萨斯引发一场龙卷风吗?”从此后我们…
 
因为恩尼雅克计算机是军方的东西,计算机在陆军的阿伯丁试验场,主要工作是计算弹道。朱尔·查尼他们所有工作必须严格保密。在三年的时间里,朱尔查尼和同事们一直在办公室里吃住,说实话,条件还是挺艰苦的。 所实话,阿伯丁试验场的这台恩尼亚克计算机实在是太慢了,朱尔·查尼不得不一次又一次的简化计算,要不然这个家伙真是算不动。 当时团队最尴尬的一件事,就是要要足足计算24小时才能算出24小时以后的天气。所以根本没有任何实用性,到了1952年春天,一个更新更快的计算机在普林斯顿的高等研究院落成运行。这一下,朱尔·查尼他们就开始鸟枪换炮了,因为计算速度大大提高,而且计算的准确度也大大提高了。 然后呢,到了1952年的11月份,华盛顿就遭遇了那场突如其来的暴风雪,把所有的天气预报员弄得很没面子,因为他们没能预报…
 
最后的决心当然是统帅艾森豪威尔下的。在5号的凌晨的4:15,他做出决策:我们走吧(OK, We’ll go)也就是说原计划不变,6月6号,登陆法国的行动将会正式开始。这时候艾森豪威尔只能赌一把,他也没有决定性的把握。但是现在所有的部队都已经做好了准备,该上船的上船,该上车的上车,该上飞机的上了飞机。如果这个时候决定推迟到6月19号,那么所有人必须撤回来。这么一折腾,德国人能不发现吗?肯定会引起德国人的警觉。突然袭击的效果就要大打折扣。大家早就按捺不住了,一起跳起来欢呼。 到了6月5号的下午4点,这个时候天空仍然多云,风仍然在刮。大家难免还是有点不放心。斯塔格给艾森豪威尔看了最新的天气图,看样子不会有问题。到了晚上9:00,斯塔格看到头顶上的云层破裂了,他终于长出了一口气。好天气终于如约而至。…
 
我们知道,不管是海洋还是大气都是流体,流体之中就存在很多波动现象。比如说海面上的海浪是最明显不过的波动现象。大气内部也有很多波动现象。比如说,空气在水平流动的时候,因为遇到一座山,那么就只能爬上去,空气在爬山的过程中会变冷。过了山头以后,冷空气会沿着山坡往下冲,冲到近地面附近受热,密度再次变小再往上爬,爬到高空又变冷,再次往下。所以风吹过去的时候,其实不是老老实实平移的,地面上肯定会有起伏不平的地方,稍稍受点扰动。气流就会像走搓板路一样,一路磕头磕过去。 不仅仅垂直方向有这种磕头的现象,水平方向也会有。地球中纬度地区上空有一道西风带。这道气流环绕了地球一圈。气流可不会老老实实沿着纬度圈走。主要还是受到地转偏向力的影响。一边走一边就要拐弯儿,拐过头了又要拐回来。所以西风带也呈现出波动动态。而且…
 
贝吉龙是瑞典人,当时他还是要为瑞典气象局工作,所以他又在斯德哥尔摩干了两年。后来呢,就搬家搬到挪威去了,他在挪威工作生活了13年。1922年2月,他在回卑尔根的路上,中途到奥斯陆北部山区的一个度假胜地停留了几个星期。他打算好好放松放松,休息休息。但是他没想到,就在这儿,他有了一个非常重要的新发现。这个发现就涉及到天上为什么会下雨?没错,到那个时候为止,科学家们对雨的具体形成过程,还不是特别清楚。 我们知道云层中含有大量的水分。可是为什么有些云彩就能够在天上飘啊飘,可有些云彩就会下雨。这个看似简单的问题,其实困扰了气象学家们很多年。你千万别觉得这件事儿简单了,这件事一直到20世纪才被解决。 贝吉龙度假的地方海拔大概是430米左右,山头上到处都是冷杉树,冷杉是一种松科植物,长得有点像松树,叶子很…
 
在1919年到1924年之间,皮耶克尼斯父子、哈尔沃·索伯格等人组成的团队建立了一套全新的天气科学理念的基础。一个瑞典的年轻学者托尔·贝吉龙提出了“锢囚锋”的概念。后来这些成果被写在了《气旋的生命周期和大气环流的极锋理论》这篇论文里,在1923年发表了。 这篇论文提出了一个极锋理论。说白了,地球的极地上空有个冷空气的帽子,赤道地区有个暖空气的腰带。冷空气时不时伸出个舌头往南伸,暖空气也时不时伸出个舌头往北伸。中间这个冷暖空气交锋的过渡地带就以会出现弯弯曲曲的接触线。这个在中纬度地区绕着地球一圈的接触线就是所谓的“极锋”。地球是对称的,所以极锋也是有两个,北边有一个,南边也有一个。 因为地球上有复杂的地形,有的地方是陆地,有的地方是海洋,到底是冷空气打败热空气,还是热空气打败冷空气,那就不一定…
 
到了1916年,第1次世界大战已经打了两年了。按理说像理查森这样的观象台负责人是不需要应征入伍的。况且他岁数也大了,他都35岁了。而且他自己还反战,还不想服兵役。所以理查森内心挣扎了好久,最后决定还是上战场去看看,看看战争到底有多残酷。所以在1916年的5月,理查森就辞职了。有人说他实在是太冲动了,你这铁饭碗你就不要了,这么优厚的工资你也不要了。没办法,拦不住。所以理查森就去了法国战场。 到法国以后。理查森一边负责救护伤员,还得抽空改进他的算法,还得抽时间修改他的书稿。所有这些事都是在1916~1918年。他在法国战场上运送伤员的间隙完成的。 当时的条件真的是很辛苦,有一次他的计算结果差点就化为乌有了。在1917年的香槟战役之中,他把写满计算结果的草稿纸塞到自己屁股兜里,结果在行军的途中全弄…
 
威廉受父亲影响很深,他仍然在研究电磁场和流体力学之间的类比关系。这带给他很多启发,使得他能够流体力学和热力学融合在一起,提出了自己的一套理论。而且他把自己的这套理论应用在了世界上最庞大的流体系统,也就是海洋和大气之中。 在海洋里温度和盐度会影响海水的流动。在大气中温度和湿度也会影响大气的流动。1904年,他在斯德哥尔摩的物理学会进行了一次演讲。演讲的题目就是一种天气预报的理性方法。他把数学方程式应用到了原始大气数据信息之中,提出了一个开展数值天气预报的计划。他把热力学知识和流体力学原理结合起来,将使得天气预报变得更加准确。这样就脱离了依靠经验判断的时代。 到了1905年他去美国做学术交流。他去了纽约的哥伦比亚大学和华盛顿的卡内基学院作特邀报告。他介绍了他自己的理论,他希望把热力学和流体力学都…
 
菲茨罗伊开创的天气预报事业也遇到了重大的挫折。因为英国议会里面早就有人对他不满,这个部门花的钱都花到哪儿去了,有没有花到议会规定的方向上呢?社会上对菲茨罗伊的抨击也一直都没有停过。现在菲茨罗伊人已经去世了,那么对他生前主持的这份工作,就要进行一次彻底的评估。议会弄了一个调查委员会来搞清楚这件事,可是那些议会议员们又不懂气象学,他们必须选一个人来主持这个工作,那么找谁来做这次评估呢?大家选来选去,选中了高尔顿。 高尔顿跟菲茨罗伊可是结下过梁子的。无论是在学术上还是私人关系上,这两个人都不怎么对付。当时有人评价过高尔顿,说他的头脑是数字和统计化的,没有任何想象力。本质上就是一个教条主义者。但是人家议会就认定了这个人了,那能怎么办呢?只能让高尔顿带了两个助手,开始对菲茨罗伊留下的全套数据资料展开核…
 
我们的神州飞船是三舱结构,中间是飞船,也就是航天员的座舱,前头是轨道舱,后边是服务舱。俄罗斯的联盟号差不多也是类似结构。美国的龙飞船就不是这样,人家是个单舱结构,所以显得特别宽敞。美国的猎户座飞船和我国的新一代载人飞船也都是单舱结构。 因为我们研发神舟飞船的时候还没有空间站呢,航天员要要在太空里完成一系列的试验任务,除了航天员生活起居的座舱之外,你还得单独弄个工作间对吧。所以呢,飞船就必须弄成一室一厅。 我们的载人航天看上去是国家工程,但是真是没花多少钱。咱们的作风是能省就省,能一物多用就一物多用。经常是飞船返回地面了,轨道舱还留在太空继续工作一段时间,真是最大限度的利用资源。 所以,我们的飞船整体上采用三舱结构,美国人的龙飞船就是运人的,只需要把人运到国际空间站就行了。他们也就没有必要搞什…
 
对于格莱舍和菲茨罗伊这样的先驱,当时的老百姓普遍不能理解他们这些人到底在干些什么呢?再加上各种小报的恶毒攻击,这些人的形象就变得非常奇怪。格莱舍倒是不怎么在乎。他脸皮厚。但是菲茨罗伊就不行了,他脸皮薄,人家说他什么话,他都往心里去。 1864年这一年,他接二连三的遭受打击。贸易委员会削减了他的预算,位于南部沿海地区以及威尔士和苏格兰的电报站,都得不到资金支持。没办法,他也只能裁掉了8个观测站。观测的数据少了吧,菲茨罗伊的天气预报已经变得更加不准。公众对他的指责也就变得越来越多。菲茨罗伊已经59岁了,他也已经是个老人,而且身体大不如前。想当年他是个棒小伙子,在火地岛的高山上爬上爬下一点都不觉得累,现在就不行了,整个人都已经显得很颓废。 到了1865年的3月份,他参加了皇家地理学会的一次会议,当…
 
气预报渐渐的就变成了普通公众每天都很关注的一项内容。《每周一刊》还刊登了有关气象学研究的专栏文章。这篇文章向大家详细的介绍了菲茨罗伊和他的气象局,这篇报道也引用了很多数据。比如说,气象局已经从800艘商船的航海日志中收集5500个月的观测记录;海岸线的灯塔看守人负责统计大雾的次数和风向;各个气象站负责记录气温变化和露点的温度。这些统计数据为气象学这一门新兴学科提供了丰富的营养。 新闻媒体写文章都是有套路的,介绍完气象局的工作,他们开始采访航海相关人员,记者们走访了55位港务监督,其中有46位支持风暴预警,有7位表示不确定,仅有3位表示不满意。看来菲茨罗伊的铁杆粉丝还真不少。 但是菲茨罗伊万万没想到自己的粉丝里面有一位特殊人士。《每周一刊》上这篇文章登出来以后不久,在一个礼拜天的早上。有人来敲…
 
到了1862年的7月17日,格莱舍终于准备好了一切,他拎着一大堆的仪器坐进了气球吊篮。驾驶员是个经验丰富的老手,他叫考克斯维尔,头顶上那个大气球刚充满了气,容积2500立方米,直径大概有17米的样子,这家伙叫猛犸象号,这是当时体积最大的气球了。 气球刚一起飞吹来一阵大风,气球整个就斜过来了。格莱舍站起来一看,气球吊篮奔着一根烟囱就抡过去了,可把格莱舍给吓死了。好在气球并没有撞上什么障碍物。等升到高空了,周围什么都没有了,他反倒放心了。他开始冷静下来,记录仪器上的各种数据。5分钟以后气球就钻进了云层,地面上的人就看不到他们了。 十几分钟以后,他们钻到了云层的上面,灿烂的阳光照射到了气球上。这时候他们的高度将近3千米了。高空的气压比较小,所以气球就鼓起来了,整个气球显得非常的饱满。从高空观看大地…
 
最近几天上海降温了。风乎乎的刮,而且还在下雨,天气显得特别冷。3月份嘛,算是倒春寒吧。希望这场倒春寒早点过去。我这几天就在家里猫着,因为疫情的关系,小区被封起来了,外边的店铺也都关门了。我想出小区溜溜也不可能了。居委会的人拿着大喇叭通知大家去小区里的小河边做核酸检测。捅鼻子捅得我这叫一个酸啊。我想,全国也有很多地方都封起来了,估计大家跟我都差不多,也都经历过这个过程。所以呢,这个礼拜咱们就闲聊两句疫情的事儿 上海这里是尽可能压缩封闭范围,压缩封闭时间。说白了就是尽量把圈圈画的精确一点,小一点,否则对经济的影响太大了。我是天天宅在家里写稿子或者看书,可以完全居家办公,汪老师就不行了。不管是家封闭了还是办公室封闭了,都会影响他的工作和生活。毕竟他拍视频还是在办公室比较方便。 我想大多数人都不愿意…
 
这场风暴吹了3天,受损的船只绝不是只有皇家宪章号一艘,一共有133艘船沉没,另外有90艘船受损,大约有800人因为这场风暴而丧生。当然最惨的就是皇家宪章号,所以这场风被称为“皇家宪章风”。 菲茨罗伊立刻就忙起来了,他到处走访,去问问看守灯塔的人,去问问目击者和亲历者。他领导的观测网络也把数据汇集到了他的办公桌上。最后他得出了一个结论,这就是一个典型的水平气旋,从南向北扫过了英伦三岛。他和助手以每小时一张图的密度把整个风暴的全过程绘制在了地图上,菲茨罗伊给这些图表起了个名字叫“天气图”。 在菲茨罗伊的这一连串的图上,螺旋形的风暴显露无疑。菲茨罗伊断定,距离风暴中心30公里到80公里的区域是最危险的地方,因为这一圈的风速达到了160公里/小时。菲茨罗伊对冷暖气团的交汇处特别感兴趣,他把冷暖气团想…
 
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。他只能尽量的去记录雪花的形状,但是雪花很容易融化。所以他只能迅速的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…
 
马修·莫里用数据统计的办法。从航海日志里面挖出了全世界各大洋每个区域每个月的典型风速和风向。这套风图对航海的水手来讲,那简直是太有用了。如果你从大西洋的这头航行到那头。你是不是能够一根直线就航行过去呢,答案是不行,因为风向不对。这个过程有点儿像搭公交车。可能要换乘好几趟才能达到目的。水手们也要借助海上不同的风向,才能七拐八拐的到达目的地。有了马修莫里这套图,那就好办了。比如说从里约热内卢开到蒙得维利亚,其实这两个地方离得并不算远。水手们就可以根据当时的风力风向来安排好自己的路线。 这套图非常实用,发挥了巨大的作用。欧洲各个国家发现有了这套风图以后,他们航行的时间大大缩短,但是利润在节节攀升。所以世界各国就对马修莫里的这套风图非常感兴趣。莫里就游说各个国家,争取欧洲各国的支持,所以他就把这些人…
 
到了1848年,每日新闻报和格莱舍达成了意向协议,那就是利用电报来传递气象信息。当时打电报可不便宜,这笔钱要每日新闻报来负责。每天上午9:00全英国29个电报站同时采集数据,然后发到伦敦,由格莱舍进行整理,然后呢,在第2天的每日新闻上进行发布。 所以说他们的行动并不是天气预报,这还是一种事后的统计调查行为,也是第一份由电报汇总的天气报告。说白了,当时的新闻媒体是把各地的天气当作了一种新闻素材来使用,主要是让收获季节的农民感到安心。所以等到秋收一结束这种天气报告也就停止了。 但是说实话,乡下的农民根本就没工夫看报纸。这种事后诸葛亮说实话也不能帮农民们提供什么帮助。反倒是伦敦城里的人对报纸上刊登的各地天气非常有兴趣。这位仁兄住在伦敦,昨天是艳阳高照,他翻开报纸,看见报纸上刊登了利物浦的天气。哦,…
 
在美国,不管是那个党派,他们开大会主要就是围绕着大选展开的,头等大事就是提名总统候选人。辉格党体提名的是克莱。莫尔斯用电报把这个消息从巴尔德摩发到了华盛顿。这是世界上第1条用电报传输的政治新闻。民主共和党这边提名的是波尔克,这位是爆冷拿到了提名,也算是轰动性新闻,这个消息还是用电报发送到华盛顿的。这一下新闻界立刻就嗅到了这个新发明的新用途。反正日后搞新闻媒体是肯定离不开电报啊,这东西传递消息太快了。 不仅是新闻界在动脑筋,电报这个东西可以说是激发了很多人的兴趣。他们的奇思妙想甚至出乎莫尔斯的意料。巴尔德摩的一位绅士与华盛顿的另外一位绅士进行了一场远距离象棋比赛,整个比赛都是通过电报进行的。他们一共下了7局棋,一共走了了666步,一步都没传错。 电报的出现使得消息的传递速度超过了人的移动速度。…
 
当时有好多的美国人往阿巴拉契亚山脉西边跑,去新的土地上开荒种地,可以说就是大规模的毁林开荒,要不然农田从哪里来?于是埃斯皮就来精神了。他建议,在西部的森林里放一把火,干脆全都烧掉算了,这边一把大火烧起来,自然会让大量的水份蒸发,上升到空中变成云,然后顺着大气的环流,到美国的东部,造成降雨。这不就两全其美嘛。 当然埃斯皮也不主张一把大火全烧掉。照他那个意思,咱得细水长流。如果今年东部干旱,咱们就跑到西部去烧掉一小片森林,看看管用不管用,如果水汽足够,东部的水渠和池塘全都满了,灌溉用水全都够了,那咱就不用再烧下一块了。东部的农民肯定也开心啊,因为你要是能够大规模人工控制天气的话,那年年风调雨顺,你就不用为天气操心了。1839年初这个埃斯皮就向国会打了个报告,他说他要搞个试验。 对于这件事儿,当时…
 
几个月之间埃斯皮的名声可以说是急转直下,一方面是欧洲人不给他点赞,转而支持里德和雷斯菲尔德的理论,另外一方面是因为里德和雷斯菲尔德不断的对他进行攻击。双方吵架的嘴脸很难看。第三方面是因为这个埃斯皮的脑洞实在开的太大,让人没有信任感。因为他提出了一个“人工造雨”的概念。这件事对我们现代人来讲其实已经不陌生了,但是对当时的人来讲,这事儿简直是异想天开,这老天爷作的决定,你能改吗?被窝里伸脚丫子 —— 你算第几把手? 不过大家也要明白,埃斯皮不是个疯子,你要把它放到那个大环境大时代之中去考虑。那个时代美国可以说是新创造新发明层出不穷。那时候出现了乙醚麻醉术,出现了粮食提升机,手摇式冰淇淋机,联合收割机,蒸汽铲车,还有缝纫机。当时的美国洋溢着一种昂然向上的精神,当时有很多人也觉得,没有什么是人类做不…
 
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