咱們還是書接上文。咱們上文書主要講了雅科比·皮耶克尼斯的主要貢獻(xiàn)。他在氣象學(xué)方面也算是一代宗師。他和他老爹威廉創(chuàng)建的卑爾根氣象研究所基本上就相當(dāng)于20世紀(jì)氣象學(xué)的黃埔軍校，培養(yǎng)了大批優(yōu)秀的人才。

當(dāng)然他后來到美國訪問，因?yàn)槎?zhàn)打起來了，他就回不了挪威了，只能在美國住下來，他的后半生就是在美國度過的。在美國他也培養(yǎng)了大量的人才。我們這回就要講的這位科學(xué)家叫托爾·貝吉龍。他是個(gè)瑞典人，他也是卑爾根氣象研究所培養(yǎng)出來的。他從1908年就對氣象學(xué)非常感興趣。他是1891年出生的，所以那時(shí)候他才17歲。他還在讀寄宿學(xué)校。學(xué)校的老師派給他一個(gè)工作，那就是連續(xù)一個(gè)月每天觀察氣壓計(jì)。從此他就養(yǎng)成了一個(gè)記錄天氣日志的習(xí)慣，而且這個(gè)習(xí)慣保持了一輩子。

托爾·貝吉龍?jiān)谪惣?歲那年。他的父親因?yàn)榧毙燥L(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎去世了，年僅36歲。剩下了一對孤兒寡母，你叫這母子倆怎么活呢？好在他們家親戚還不少，靠親戚的資助，貝吉龍完成了學(xué)業(yè)，進(jìn)入斯德哥爾摩大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，1916年畢業(yè)。后來貝吉龍一直從事氣象學(xué)的研究，而且還有了點(diǎn)名氣。那時(shí)候卑爾根氣象研究所正在招賢納士到處挖人。雅克比這幫人就盯上貝吉龍了。他們打聽來打聽去，發(fā)現(xiàn)這個(gè)貝吉龍居然和諾貝爾化學(xué)獎得主阿倫尼烏斯認(rèn)識，這下兩邊算搭上線了，那就好辦了。反正，卑爾根的這幫人通過好幾條渠道七拐八彎的，終于找到了貝吉龍，雙方約好見面，卑爾根研究所的人主動上門請賢。多年以后，貝吉龍仍能回憶起1918年11月的那一天，他就在瑞典皇家科學(xué)院氣象學(xué)院的辦公室里坐著。雅可比和索伯格走了進(jìn)來。這幾個(gè)人就聊開了，還挺嗨的。雅克比和索伯格攤開了一張又一張的天氣圖，非常激動的向貝吉龍展示一個(gè)暖鋒是如何爬過山坡的。

阿爾卑斯山的云

貝吉龍對這方面也是很有研究的，因?yàn)樗以诎柋八股缴嫌袀€(gè)別墅，視野很開闊，能看到對面的山頭，下面山坳里還有一個(gè)湖，阿爾卑斯山的景色別提多美了。他在自家別墅就能親眼看見在對面山頭背風(fēng)坡的云是怎么形成的。他能不熟嗎？既然雙方聊得很開心，他也就決定到卑爾根氣象研究所去工作一年，那時(shí)候貝吉龍的頂頭上司是瑞典氣象局的主管，主管特批，他可以到挪威去進(jìn)修學(xué)習(xí)一年，好好學(xué)學(xué)卑爾根學(xué)派的新氣象學(xué)。所以這一次雅可比他們也算不虛此行，他們一共招募了5個(gè)人，其中就有貝吉龍和羅斯貝。這個(gè)羅斯貝是一個(gè)非常重要的人物，他起到了承前啟后的作用。我們此處按下不表。

卑爾根學(xué)派提出的溫帶氣旋模型示意圖（雨的形成）在卑爾根研究所，老爺子威廉·皮耶克尼斯和索伯格是比較偏向理論研究，雅克比和貝吉龍比較偏向于綜合研究。當(dāng)時(shí)的主流理論是雅克比1918年搞出來的那個(gè)氣旋的模型。貝吉龍就是在這個(gè)基礎(chǔ)上繼續(xù)做進(jìn)一步的探索，所以他在1919年提出了錮囚鋒的概念，這也算是他在卑爾根研究所的一個(gè)成就吧。當(dāng)然啦，貝吉龍是瑞典人，當(dāng)時(shí)他還是要為瑞典氣象局工作，所以他又在斯德哥爾摩干了兩年。后來呢，就搬家搬到挪威去了，他在挪威工作生活了13年。1922年2月，他在回卑爾根的路上，中途到奧斯陸北部山區(qū)的一個(gè)度假勝地停留了幾個(gè)星期。他打算好好放松放松，休息休息。但是他沒想到，就在這兒，他有了一個(gè)非常重要的新發(fā)現(xiàn)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)就涉及到天上為什么會下雨？沒錯，到那個(gè)時(shí)候?yàn)橹?，科學(xué)家們對雨的具體形成過程，還不是特別清楚。我們知道云層中含有大量的水分?？墒菫槭裁从行┰撇示湍軌蛟谔焐巷h啊飄，可有些云彩就會下雨。這個(gè)看似簡單的問題，其實(shí)困擾了氣象學(xué)家們很多年。你千萬別覺得這件事兒簡單了，這件事一直到20世紀(jì)才被解決。

當(dāng)溫度足夠低，霧被冷杉林清出一樹之高

貝吉龍度假的地方海拔大概是430米左右，山頭上到處都是冷杉樹，冷杉是一種松科植物，長得有點(diǎn)像松樹，葉子很細(xì)。樹林里有一條彎彎曲曲的小路，貝吉龍經(jīng)常沿著這條小路溜達(dá)。這個(gè)山頭經(jīng)常會被一層很冷的霧包圍。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣溫低于-5度的時(shí)候就不會有霧了。但是當(dāng)氣溫高于0度的時(shí)候，就會有霧。這是為什么呢？這是因?yàn)槔淇諝庠诖┻^這片小樹林的時(shí)候，如果溫度很低，低于零下5度這個(gè)時(shí)候，冷空氣中的水分碰到冷杉的樹葉就會結(jié)冰。所以冷風(fēng)吹過以后，冷杉樹上到處都掛著冰碴子。也就是說當(dāng)含有水汽的冷空氣從這片樹林穿過的時(shí)候，水都變成冰碴子，凍在了樹枝上?？諝庵凶匀灰簿蜎]什么水汽了，當(dāng)然也就不會有霧了。這個(gè)現(xiàn)象給了他很大的啟發(fā)，在1928年的時(shí)候，他用德文寫作的博士論文。提到了這個(gè)觀點(diǎn)，云層中的小冰晶對降水起到了至關(guān)重要的作用。到1933年在里斯本的一個(gè)國際會議上。他發(fā)表了一篇論文叫做云和降水的物理過程，把這個(gè)想法做了充分的發(fā)展，他最提出了一整套冰晶理論，用來幫助解決氣象學(xué)上由來已久的一個(gè)問題，那就是雨到底是怎么產(chǎn)生的？

地面上的暖空氣帶著大量水蒸氣升向高空，高空的氣壓比地面附近要小得多，所以這一團(tuán)暖氣在上升過程中壓力漸漸降低，體積漸漸膨脹，這個(gè)過程是個(gè)降溫的過程。當(dāng)溫度降低到一定程度，再加上空氣中充滿著各種各樣的細(xì)微顆粒，這些顆粒就構(gòu)成了凝結(jié)核，湊夠了這兩個(gè)條件。水蒸氣就要凝結(jié)成小水點(diǎn)了。當(dāng)然了，這些小水點(diǎn)體積非常非常小，它們被稱為云滴。云彩的云，水滴的滴。云滴體積非常非常小，直徑大概是25微米，對比之下人的頭發(fā)有多粗呢？人的頭發(fā)是75微米。這些小水點(diǎn)實(shí)在是太小了，它們在空中飄著且落不下來呢。從1千米高度的開始下落的話，大概要幾個(gè)鐘頭才能落到地面。如果近地面附近溫度比較高的話，這些小水點(diǎn)落不到地上就已經(jīng)被蒸發(fā)了。那么，要形成降雨落下來，落到地面還沒蒸發(fā)完，水滴要多大呢？起碼也得2毫米吧，直徑是云滴的100倍。算體積的話，可是三次方的關(guān)系，是100萬倍。所以說，這些小云滴要攢夠100萬個(gè)合并在一起，才能湊夠一滴雨。單純靠水蒸氣凝結(jié)成云滴是沒有辦法湊成雨的，一定是有什么過程使得這一滴水迅速長大。正因?yàn)樨惣埖睦碚摻忉屃酥芯暥鹊貐^(qū)產(chǎn)生大量降水的過程，所以這個(gè)過程也被稱為貝吉龍過程。當(dāng)然，因?yàn)閷ν鈬嗣姆g不同，也有翻譯成“伯杰龍過程”的，說的都是一回事兒，這個(gè)過程的關(guān)鍵就是冰晶的產(chǎn)生。我們通常都認(rèn)為水到0度就會結(jié)冰了，其實(shí)這個(gè)觀念是錯的。非常純凈的水，在0攝氏度的時(shí)候是不會結(jié)冰的。懸浮在空氣中的純凈水滴，直到氣溫下降到接近-40攝氏度的時(shí)候才會凍結(jié)。溫度在0度以下的液態(tài)水，我們稱為過冷水，這種水的狀態(tài)是不穩(wěn)定的，稍微受到一點(diǎn)干擾，它嘎嘣一下就凍成冰了。天上為什么會下凍雨呢？就是因?yàn)樗幱谶^冷狀態(tài)，它碰到東西以后，馬上就凍成小冰晶。所以這就解釋了貝吉龍?jiān)诙燃俚臅r(shí)候看到的情景，當(dāng)溫度很低的時(shí)候，空氣中的小水滴都是屬于過冷狀態(tài)。風(fēng)吹過冷杉樹林，小水滴就會凝結(jié)在樹葉上。這就等于把空氣之中的水分全部吸干了。

也就是說，過冷的水滴不碰上東西它是不會凝結(jié)的。但是空氣中有什么東西能讓云滴凝結(jié)成冰晶呢？好像也很少。所以要溫度低到零下10度左右，云里面才會出現(xiàn)小冰晶。氣溫在零下10度到零下20度之間的時(shí)候，液態(tài)水滴和小冰晶處于共存狀態(tài)，如果溫度低于零下20度，那么這一大片云彩都是由非常微小的小冰晶組成的，不是小水點(diǎn)。所以高空的云，往往都是冰晶組成的。

冰晶能吸收附近過冷水滴的水份生長壯大接下來就是小冰晶發(fā)揮作用了。小冰晶有個(gè)特點(diǎn)，它能夠從周圍過冷的水滴上吸收水分而長大。只要條件合適，小冰晶就能越長越大。對冰晶凝結(jié)理論作出重要貢獻(xiàn)的人，就是德國氣象學(xué)家阿爾弗雷德·魏格納。很久以前我們提到過他，那時(shí)候我在講大陸漂移。沒錯，這個(gè)魏格納提出大陸漂移學(xué)說的那個(gè)人，他的本職工作是氣象學(xué)家。所以在中緯度地區(qū)。如果一團(tuán)云彩溫度足夠低，處于小冰晶和過冷云滴的混合狀態(tài)。很有可能就會造成小冰晶迅速長大。那以后它就會往下掉，下落速度會大大加快，但是這種小冰晶往往長得不太結(jié)實(shí)，在氣流沖擊之下有可能會碎掉，碎掉以后就會產(chǎn)生更多的小冰晶，這些小冰晶又會變成種子繼續(xù)長大，然后往下掉。于是就引起了連鎖反應(yīng)。這些小冰晶還有可能變成大雪花。至于落到近地面附近的時(shí)候，到底是變成下雨呢？還是下雪呢？還是下雨加雪呢？就看見地面附近的溫度了。如果地表溫度高于4℃。雪花通常在掉到地面以前就已經(jīng)化掉了，也就變成雨了。所以在炎熱的夏季，一場暴雨，實(shí)際上有可能是從高空的一場暴雪開始。

這就是貝吉龍過程，后來這個(gè)理論經(jīng)過芬德森的完善。所以這個(gè)過程也被稱為貝吉龍-芬德森過程。當(dāng)然你也可以把名字全都列全了，稱為魏格納-貝吉龍-芬德森過程，只要你不嫌麻煩。這幾個(gè)人都有貢獻(xiàn)。幾十年以前氣象學(xué)家們都認(rèn)為除了那種極細(xì)的毛毛雨，其他大多數(shù)降水都是由貝吉龍過程造成的。但是后來又發(fā)現(xiàn)不對勁了，在熱帶地區(qū)，云沒有那么冷，并不是處于冰晶和過冷水的混合狀態(tài)，這些云往往都是暖云，那這個(gè)暖云是怎么下雨的呢？用貝吉龍過程就沒法解釋了?，F(xiàn)在研究表明。全由液態(tài)水滴構(gòu)成的這些云彩，往往存在一些比較大的液滴。因?yàn)榭諝獠皇悄敲锤蓛?，空氣里面總有一些凝結(jié)核，這些凝結(jié)核就導(dǎo)致這個(gè)水滴長得比較大。這些大號的水滴降落可比那些個(gè)25微米左右的小水點(diǎn)可要快多了。這些大號水滴在下落過程中就像貪吃蛇一樣，碰上哪個(gè)小水點(diǎn)就把哪個(gè)小水點(diǎn)吞進(jìn)去。自身也就迅速長大了，長大了下落得更快，吞得更多。當(dāng)然了，水滴在下落過程中是會推動周圍空氣的，造成了周圍空氣的擾動。也會促使更多的小水點(diǎn)撞到一起變大。還有一個(gè)因素是因?yàn)樵撇手械男∷涡”菐щ姷?，同性相斥，異性相吸，也會造成?fù)雜的碰撞。水滴下落過程中，因?yàn)闅饬鞯拇狄u也會造成變形破碎，又造成了連鎖反應(yīng)，這個(gè)過程是相當(dāng)復(fù)雜的。

雷雨云不過呢，不管怎么說，那些特別厚的云彩就賺了便宜，因?yàn)橐坏嗡畯脑撇薯敹寺涞皆撇实锥艘吆眠h(yuǎn)，能撞到很多很多的小水點(diǎn)。如果云層很薄，水滴還沒吃到多少就從云層里穿出來了，那水滴自然也就長不大。為什么夏天容易下暴雨，就是因?yàn)橄奶斓睦子觊L得太厚了，簡直跟個(gè)大蘑菇一樣。這種垂直高差特別大的云彩就容易制造出大號雨滴。甚至有可能在雷雨云的頂端是由貝吉龍過程造成了降雪，在下落過程中化掉了，變成了水。然后又開啟了水滴碰撞模式。有時(shí)候雷雨發(fā)展非常強(qiáng)烈。云彩可以長得特別大。云彩的底部是1千米到2千米高，云的頂部可以高達(dá)上萬米。云層的頂部是零下15度?？墒墙孛娓浇臍鉁乜赡苓_(dá)到了二三十度甚至更高。這種強(qiáng)烈的溫差造成了極強(qiáng)的對流。

大號冰雹的結(jié)構(gòu)這時(shí)候，問題就變復(fù)雜了。云彩的頂部因?yàn)樨惣堖^程造成了降雪，但是這些雪花在下落過程中，可不是一帆風(fēng)順的，因?yàn)橛袕?qiáng)烈的上升氣流，而且在云層之中，氣流還是亂七八糟的。所以也就造成很多冰顆粒落下去又被吹上來，落下去又被吹上來。每次路過富含過冷水滴的區(qū)域，表面就會凍上一層冰殼子。在云層里多轉(zhuǎn)幾圈，表面的冰殼子就厚上去好幾層。最后變成冰雹掉下來。美國有記錄以來最大的冰雹發(fā)生在2010年7月23日，地點(diǎn)是在南達(dá)科他州的維維安。冰雹直徑高達(dá)20厘米，這是多大一個(gè)球啊？上稱一稱，足有 900克。這是1斤8兩重的一個(gè)大冰雹，砸誰腦袋上誰開瓢。所以一直到上世紀(jì)30年代，下雨的基本原理才被科學(xué)家們搞清楚。這時(shí)候人類突然冒出了一個(gè)大膽的念頭，那么能不能人工干預(yù)天氣呢？比如說人工降雨行不行？美國化學(xué)家兼物理學(xué)家歐文一生搞過很多研究。1932年他因?yàn)楸砻婊瘜W(xué)的研究成果獲得了諾貝爾化學(xué)獎。后來他就聯(lián)合了文森特、約瑟夫等等一些人一起進(jìn)行人工降雨的研究。他們經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室里對人工降雨的方案進(jìn)行討論，為了方便研究呢，他們利用實(shí)驗(yàn)室里的電冰箱設(shè)計(jì)了一個(gè)充滿水蒸氣，可以通過調(diào)節(jié)冰箱溫度，使這些水蒸氣變成人造云的一種裝置。說白了他們就是在實(shí)驗(yàn)室里制造云彩。

造云的冰箱（穿西服的是歐文·朗繆爾）當(dāng)然了，我們知道光有云彩還不夠，這些云彩里面的云滴必須處于過冷狀態(tài)。這時(shí)候，我們還要想辦法誘發(fā)貝吉龍過程。說白了就得想點(diǎn)辦法，讓這些過冷的云滴凍結(jié)成冰晶。這幫人鼓搗了好久，他們往人工云彩之中加入了各種塵埃顆粒，但是效果不理想。有一天天氣異常炎熱，這幫人又在實(shí)驗(yàn)室里工作，當(dāng)他們再次對人工降雨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，這個(gè)冰箱突然出故障了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的溫度不但降不下來，反而在持續(xù)上升。剛剛做好了一朵人工云，眼看就完蛋了，情急之下。

文森特·舍費(fèi)爾文森特弄了一大包干冰就倒進(jìn)去了。干冰溫度很低，在常溫下它會升華變成氣態(tài)，同時(shí)吸收大量的熱。這些干冰往里一倒。立刻效果驚人，這一團(tuán)云彩立刻產(chǎn)生了無數(shù)的小冰晶，簡直是亮瞎了眼，而且還聚成了一片一片小雪花飄落下來?？梢哉f他們是歪打正著。因?yàn)樗麄兊谋洳辉趺礃?，冷凍?shí)在太慢，所以無意之中制造出了過冷水滴，然后一把干冰撒進(jìn)去。云朵的溫度迅速下降，降到 -40 度以下，水蒸氣就會凝結(jié)出大量的小冰晶。OK齊活了，于是實(shí)驗(yàn)室里就飄出了雪花。到了1946年的11月份，他們組織了一次實(shí)驗(yàn)活動。他們坐上飛機(jī)。在天上尋找了一片適合的云彩，把干冰倒了下去。30分鐘以后天上下雨了。人類歷史上第1次真正的人工降雨獲得成功。

碘化銀當(dāng)然啦，現(xiàn)在人工降雨一般不用干冰，干冰因?yàn)楸仨毜蜏乇４?，用起來挺麻煩的。現(xiàn)在都是用碘化銀。因?yàn)榈饣y可以直接充當(dāng)凍結(jié)核，使得過冷水滴凍成小冰晶，它并不需要自身溫度很低，所以這東西使用起來就相對方便很多。貝吉龍1949年被授予皇家氣象學(xué)會西蒙斯金質(zhì)獎?wù)隆?966年，他被世界氣象組織授予國際氣象組織獎。算是表彰他對氣象學(xué)做出的貢獻(xiàn)吧。他是卑爾根學(xué)派的重要人物，大家會發(fā)現(xiàn)，那個(gè)時(shí)代很多著名的氣象學(xué)家都是來自斯堪的納維亞，羅斯貝也是瑞典人。他算也深度參與了卑爾根學(xué)派的研究活動，而且開創(chuàng)了芝加哥學(xué)派，芝加哥學(xué)派對我國的氣象事業(yè)也有非常大的影響。羅斯貝和我國氣象學(xué)的這檔子事兒，我們下次再說。