气候变迁背后的故事（廿九）
气和水
阔别旧世界五年后，从新大陆归来的洪堡和邦普兰在巴黎受到英雄凯旋般的欢迎。他们的南美行程超过一万千米，运回多达六万件标本，包括三千多让欧洲人啧啧称奇的新物种。洪堡搜集的印第安人文物也叹为观止。两人的成就堪与随拿破仑大军出征的蒙日和傅里叶一百多人专家团在埃及的收获媲美。
尽管哥哥已经去罗马担任德国大使，洪堡还是选择定居巴黎。受北美合众国鼓舞，洪堡愈加倾心欧洲第一个摒弃神权和王权的自由、平等、博爱共和国。巴黎也是科学文化中心，洋溢着活跃的思想和学术氛围。洪堡计划在这里整理、出版南美见闻，系统阐述“整体自然”的地球观。现实却也颇为尴尬。他1804年8月回到的是一个名存实亡的法兰西共和国。拿破仑已经获取法国公民和参议院的拥戴，只待年底正式加冕。
巴黎还另有惊奇。9月初刚安家完毕，洪堡获知自己在钦博拉索山命悬一线创造的人类登高记录已被超越。
气势磅礴的群峰在古希腊属众神专有，凡夫俗子敬而远之。迟至十八世纪，欧洲人在不惧风浪跨洋过海满世界探险时也还对陆地上的高山望而生畏。世纪初赴厄瓜多尔的法国远征队进行大地测量时需要广阔的视野，曾登上海拔4790米的科拉松（Corazon）火山。数学家布格看着手里气压计中的水银柱处在人类见过的最短位置，不由感概若非身怀重任，没有人会无事生非地爬到这样的高度。
即便位于赤道，基多的火山在海拔四千米处已是洪堡后来描述的寒带荒漠，匮缺生存或经济价值。欧洲的阿尔卑斯山脉也不乏海拔三四千米的高峰，由于所在纬度更是终年冰天雪地。除了极少数迫于生计去打猎或寻觅罕见宝石的的亡命之徒无人涉足。
可也是在那个世纪的后期，崇尚大自然的浪漫主义者逐渐注意到巍峨的群山，为之心潮澎湃。在与年轻的洪堡结成忘年交之前，歌德曾在瑞士和意大利云游阿尔卑斯山。大诗人豪情满怀的游记激励一代青年走向各地的崇山峻岭，接受大自然洗礼。他们中也有仍被称作“自然哲学家”的学者，在欣赏美景之余更注重于近在眼前却不得见的自然：托里切利的大气海洋。
佩里埃在1648年带着气压计攀登的多姆山海拔不过1400米，已证实托里切利和佩里埃妻弟帕斯卡预测的地球大气层。黑尔斯半个多世纪后用集气槽揭示大气比海水更为复杂，计有氮、氧、氢及木气、水蒸气等不同成分。奇怪的是人们在高山之巅也能呼吸到生命必需的氧气。氧和木气是相对很重的气体，在地球引力下应该会像水银沉至水底一样堆积在大气海洋的底部。同理，非常轻的氢气理应类似漂浮在水面的油，只存在于人力不可及的高空。普里斯特利和拉瓦锡等人的定量分析表明地面实验室里的大气中约78%和21%分别为氮和氧，其余的区区百分之一为木气和其它微量气体。氮比氧略轻，却混合在一起，没有水银与水那样鲜明的分层。拉瓦锡于是认为这些气体在大气里相互依附着无法自然地分离。它们或者以一定的比例组成化合物；或者大气海洋果然如同真正的海洋，各种气体像矿物质一样“溶解”于其中。
大气海洋之浩瀚和深邃与水的海洋天差地别。人类在地面接触的大气只是其极为浅薄的底部。欲知天上情形，唯有更上一层楼。意大利学者兰德里亚尼（Marsilio Landriani）和伏特（Alessandro Volta）相继在1775和1777年发明轻巧的量气管，分别用火和电逐次排除管内的不同气体测试成分。洪堡远赴南美时二者兼备，在实际应用中得知兰德里亚尼的版本略胜一筹。
在洪堡踏足基多的火山大道前，欧洲学者已开始挑战身边的山峰。日内瓦出生和长大的德吕克曾常年在阿尔卑斯山里穿梭，总结出结合温度计和气压计读数更精确测定海拔高度的经验公式。他在1754年时和弟弟一起登上海拔刚过三千米的布埃特峰（Mont Buet），创下欧洲登山记录。那时还没有量气管，德吕克只能测试山顶的温度、气压和湿度等等。
比德吕克年轻十多岁的索绪尔（Horace de Saussure）也是热衷高山的日内瓦人。两人展开激烈但友好的登山竞赛，也为各自以鲸骨和头发制作的湿度计优劣争得不可开交。索绪尔家境富足，为争强好胜瞄准与布埃特峰遥遥相对的勃朗峰（Mont Blanc）。那是阿尔卑斯山脉的最高峰，素来被视为畏途。索绪尔自1760年起悬赏以求，苦等二十多年后才有当地人巴尔马（Jacques Balmat）和帕卡尔（Michel-Gabriel Paccard）于1786年8月8日成功登顶。
依仗巴尔马的带路，索绪尔也在一年后的1787年8月3日登上勃朗峰，身后十八位随从背负着比佩里埃多得多的装备和仪器。那些年里，索绪尔孜孜不倦地完善自己的湿度计，发明或改进测量天空透明度和颜色的“透明度计”（diaphanometer）和色度计等奇技淫巧，终在勃朗峰顶大显身手。他测得勃朗峰高达海拔4775米1，用自制的兰德里亚尼量气管分析大气层在那个高度的成分比例。
德吕克和索绪尔也都著书介绍他们的登山经历和体验，提供详细的路径指南。他们格外推荐山里人在鞋子上套着的带尖钉的“冰爪”（crampon），方便在冰雪上行走。诗人的激情和学者的缜密催生一项新型野外运动，登山在十八世纪末渐成时尚，
洪堡带去南美的仪器里很多出自索绪尔的聪明才智。不过雄伟壮丽的勃朗峰海拔高度只与半世纪前布格在基多所达相当，难以企及洪堡后来在钦博拉索山攀至的海拔六千米。要在欧洲打破洪堡的记录还需另觅他途。恰好时代在进步，人类探究头顶的大气海洋不再依赖攀登高峰。
索绪尔登上勃朗峰的两年半前，气象学家杰弗里斯已经在伦敦搭乘布兰查得的氢气球完成第一次山峰以外的高空大气测量。他们仅升至不足海拔三千米的高度，但气球作为高空气象测量工具的前景已尽显无疑。二十年后，巴黎综合理工学院毕业生的盖-吕萨克和比奥也在1804年8月24日乘坐氢气球升空。他们没有专职的航空员，开科学家“自驾”气球先河。两人升至海拔四千米，沿途测量气压、温度、组成及电磁场强度等数据。
25岁的盖-吕萨克意犹未足，又在9月16日单独升空。没有了比奥的体重，气球载着盖-吕萨克扶摇直上。他坚持到即将失去意识时才打开阀门放气下降，测出已达海拔七千米，超出洪堡在钦博拉索山的记录足足一千米。
洪堡两天前刚度过35岁生日。他已久闻盖-吕萨克大名。在两人均未成名的多年前，盖-吕萨克曾撰文毫不留情地批驳洪堡的气象文章。今非昔比的洪堡未计前嫌，热情地登门祝贺。年龄正好相差十岁的两人分别在地球两边走访前所未有的高度，也迫不及待地对比各自的数据。钦博拉索山和巴黎上空大气里的氮、氧等成分比例大体相同，与拉瓦锡在地面所测没有实质性差别。这也与早先卡文迪许分析杰弗里斯采集的样品和德吕克、索绪尔在阿尔卑斯山巅测定的结论一致。当然洪堡和盖-吕萨克都曾在海拔六七千米处难以呼吸，经历缺氧所致的“高山”反应。那是因为极高之处气压非常低，空气——包括其中的氧气——整体性稀薄，并非独缺氧气。
盖-吕萨克在综合理工学院里是著名化学家贝托莱的高材生，毕业后又在拉普拉斯的指导下做实验研究气体。气球冒险两年前，他于1802年发表气体体积随温度变化的定量关系。140年前，波义耳发现气体有“弹性”的体积随压强变化之波义耳定律。盖-吕萨克的论文是那之后的第二个气体定律：气体在温度变化时同样表现出弹性，体积随温度的上升或下降成正比地膨胀或收缩。更早年的伽利略将用手捂热的玻璃瓶倒置在水里，看到空气冷却后水会沿瓶颈上升也正是气体温度弹性的表现。整整两个世纪后，伽利略望热镜的原理才有了精确定量的数学表述。
不过这个表述不是盖-吕萨克的首创。他在论文里坦诚地注解发明氢气球的查理十五年前已经在氢气球的膨胀中观察到其体积与温度成正比，只是从未公之于众。于是，本应为“盖-吕萨克定律”（Gay-Lussac’s law）的气体热胀冷缩被命名为“查理定律”（Charles’s law）。
就连盖-吕萨克的论文也迟了一步。三个月前，英国一位名不见经传的气象爱好者发表同样的规律。他不知道查理已捷足先得。
1766年9月初，道尔顿（John Dalton）出生于毗邻苏格兰的英格兰西北海滨乡村。那一带是叛离英国正统“国教”（Church of England）的“贵格”（Quakers）教派根据地。贵格教派创办已有一个世纪，由备受镇压转变为获“容忍”状态。教徒仍被排斥在主流社会外自生自灭，孩子也只能在教徒自办的学校念书。道尔顿一家从祖父起已是虔诚的贵格教徒。父母在务农外兼以纺纱织布，过着贫穷的寻常日子。幼年的道尔顿每天走四千米路到另一村子上学，刚过十岁就因老师离去不再有那样的机会。
贵格教徒习惯自谋出路。道尔顿得到村里一位有学识乡绅的辅导，也煞有介事地为其他失学孩子开课。很多学生比他年龄还大。英国那时流行一份每年一期、题为《女士日记》2的“年历”（almanac），也成为他的教科书。《女士日记》由伦敦一位著名数学家编辑，在诸如日出、日落时间、月相等年历内容外带有大量代数、几何的趣味谜题，赢得众多专业和业余数学家喜爱。少年道尔顿每年兢兢业业地抄录年历，自己琢磨解题。其后十多年里，他提交的解答频频获取编辑青睐，大名在年历上出现六十次之多。
十五岁时，道尔顿跟着比他大七岁的哥哥离家到附近的集镇肯德尔（Kendal），担任一所贵格教徒集资兴办学校的老师。兄弟俩几年后又贷款买下学校自己经营。他们盈利甚微，但道尔顿另有所获。学校图书馆里有牛顿的《原理》、布丰的《自然史》以及王家学会《哲学会刊》和《法国皇家科学院论文集》等书刊。镇上还有一位名为高夫（John Gough）的学者远近闻名。高夫自小双眼失明，靠触觉、听觉和非凡的毅力在数学、植物学和气象学等领域崭露头角。他也是贵格教徒，只比道尔顿大九岁。道尔顿与高夫一见如故，经常为他诵读新到的论文和书籍。受高夫的感染，道尔顿开始对气象着迷。
1787年3月24日，二十岁的道尔顿记下傍晚太阳落山后天空中浮现的醒目极光。他自那天始每天记录气象，与美国的杰斐逊同样终生未曾中断。不同的是道尔顿身为贫穷教书匠，买不起最基本的仪器。他心灵手巧，自制的温度计、气压计、湿度计都在当地很有声誉。道尔顿的气象记录也比杰斐逊更为长久，共延续57年，计二十多万条。
道尔顿也占有独特的天时地利。家乡坎伯兰（Cumberland）和肯德尔之间是名为“湖区”（Lake District）的多山之地，天气如孩儿脸般说变就变。仔细观测七年后，道尔顿在1793年出版《气象观察和随笔》3向世人展现湖区丰富多彩的气象，并以《哲学会刊》中记载的伦敦同日气象为对照。他的“气象观察”不只是逐日数据的罗列，还有自己根据自学的牛顿力学做出的分析。湖区的山风固然多变，道尔顿还是从中摸索出确定的模式。只是他也惊讶地从文献里看到自己的发现竟是哈雷和哈德利早已揭示的大气环流。58年之后，哈德利的论述早已被遗忘，直至道尔顿重新发掘、推广。
虽然没受过正规教育，道尔顿在“随笔”里有条不紊地介绍云彩高度、雷电和风暴由来等科学知识，畅谈自己对气象学的体会和理解，以及各类仪器的效用和自制经验。他独到地提出极光应该来自大气层里的电磁现象，也始终将极光包括在气象记录之中。
《气象观察和随笔》面世时，道尔顿已经离开肯德尔和湖区，由高夫推荐到曼切斯特的“新学院”（New College）任教。曼切斯特比肯德尔大很多，也是一座正处在英国和人类重大历史关头的城市。
瓦特在1774年从苏格兰的格拉斯哥迁至英格兰中部的伯明翰，两年后与博尔顿合作研制出高效的蒸汽机，点燃工业革命火花。曼切斯特与伯明翰相距不远，既近水楼台又得天独厚。发明纺纱机的阿克莱特正在那里兴办大型纺织厂，借助瓦特的蒸汽机生机勃勃。曼切斯特随之成为第一个走向工业化的城市。
曼切斯特得益于伯明翰者不限于工业。小小的伯明翰在瓦特来到时已有成形的知识社团。在没有路灯的年代，那里为数不多的学者每个月圆之夜借助月亮的照明集体聚餐，美其名曰“月光学会”（Lunar Society）。英语里的“月光”带有“疯子”（lunatic）之义。他们也骄傲地以之自诩。博尔顿是领头的疯子之一，还有正在伯明翰传教的教士兼气动化学家普里斯特利。外地的布莱克、德吕克和富兰克林等人也时常专程造访。瓦特到后也自然地投身于疯子之中，受益匪浅。
伯明翰的月光学会只活跃了半个世纪，但伴随着工业革命为英国带来一个与伦敦王家学会刻板、教条传统迥然而异的学术氛围，尤其在周遭地区遍地开花。1781年，曼切斯特仿照月光学会成立自己的“文学与哲学学会”（Manchester Literary and Philosophical Society），简称“文哲”（Lit & Phil）。这个学会比更北边苏格兰的爱丁堡王家学会还早两年，是保存至今的英国第二古老学会，仅逊于伦敦的王家学会。
新来的道尔顿很快在以“乌托邦”空想社会主义（Utopian socialism）闻名的欧文（Robert Owen）引荐下加入已有十年历史的曼切斯特文哲学会。作为入门报告，道尔顿讲述对视力和颜色的体会。他早在跟随高夫观察花卉时惊觉自己看不到别人眼里的红色。在曼切斯特，道尔顿细致地回顾意识到自身患有“色盲”（color blindness）的过程，猜测可能是眼珠里的液体颜色出现差错所致。因为哥哥也有相同症状，他觉得这是一种遗传病。色盲那时鲜为人知，由道尔顿首次带入科学殿堂。其后，道尔顿频频发文，涵盖从视觉到人类的意识及语言的不同学科。他在1801年出版《英语语法要素》4专著，充分展现出广阔的视野。
道尔顿自然没有忽视气象，曼切斯特文哲学会正好是他大显身手的舞台。在十八世纪落幕的1799年，他在会刊上接连发表两篇论文。3月的第一篇论文题为《通过实验和观察确定雨和露水是否等于河流带走并蒸发产生的水量；以及对泉水来源的探究》5，为大自然的水循环做出会计式的精细核算。
地面之水受热上升，冷却后再以雨雪下落的水循环早见于亚里士多德《气象学》和王充《论衡》等古典名著，在现代耳熟能详。那也是一个规模覆盖全球的宏大叙事，虽显而易见却难以定量核实。道尔顿将陆地的水循环分作降雨、蒸发和流失三部分估算。他根据英格兰的平均降水量和地理面积估算雨、雪和露水总量，也同样地从江、河、湖的面积及气温算得蒸发水量。他在家乡湖区实际测量河水流量，参照从哈雷到赫顿等人的数据累计英格兰各条大河中流走的水量。如此得失权衡，道尔顿发觉天上落下的水比从地面蒸发和江河流失的水量略多，指出多余的水暂时性地存储于地底，再以泉水的方式返回地面。由地下冒出的泉水因而源自天上的降雨，也是地球水循环之一角。
天上下雨地上流。成功平衡水循环的“收支”后，道尔顿领悟被蒸发进入大气层的水仍是平常的水蒸气，没有与其它气体互相溶解或组成化合物。大气里的水蒸气含量体现为湿度。由于温暖的空气比冷空气更能容纳水蒸气，气温下降时会达到一个特定温度，其时大气里已有水蒸气达到可被容纳的最大值。道尔顿将那个温度称作“蒸汽点”（vapor point）。气温降至蒸汽点以下时，大气里“多余”的水蒸气只得凝结成水珠析出，即为露水或冰霜。这个现象也日常可见：冰冷的玻璃镜面上很容易“起雾”，也就是“露水”的出现。“起雾”名副其实：漫天的浓雾也在气温降至蒸汽点以下发生。如果大气里凝结析出的水分过多，它们急剧而落造就瓢泼大雨或飞雪。蒸汽点因而是一个与天气变化息息相关的指标。
道尔顿那年的另一篇论文题目简短得多：《对流体导热能力的实验和观察》6。虽波澜不惊，那却是他作为无名小卒挑战学界权威之举。鼎鼎大名的伦福德伯爵一年前刚发文确立热在流体中的传播只有对流一种方式，没有传导或辐射。道尔顿以自己的“实验和观察”证明完全静态的水也在传递热量，内部有热传导。
十九世纪在道尔顿这两篇份量十足的论文后翩然而至，他的生活也发生转折。曼切斯特的新学院财政拮据难以为继。年方33岁的道尔顿干脆离职自立，以收费讲学、辅导谋生。他在文哲学会担任秘书，获得学会提供的一间实验室和先进仪器。摆脱教学负担的道尔顿如虎添翼，伴随新世纪进入个人黄金岁月。1802年10月，他在一个月内即为学会贡献四篇论文。
在10月2日宣读的第一篇论文里，道尔顿讲解自己完成的一个实验。他以不同比例混合氮、氧、氢等气体，验证它们“各自为政”地均匀分布在容器内部，彼此视若无物。每种气体产生与它单独占有整个容器时相同的压强，它们之总和为容器内的压强。此乃“道尔顿分压定律”（Dalton’s law of partial pressures）。
接着的两篇论文讨论液体的蒸发，也各有独到见解。10月30日宣读的第四篇论文展示又一个新的物理规律：气体在热推动下膨胀时的体积与温度成正比。他那时不可能知道短短几个月后，巴黎的盖-吕萨克会发表论文说明那是查理早已认知的气体定律。
好在道尔顿分压定律确为货真价实的新发现。他的实验亦非无的放矢，容器里混合的各种气体正是在模拟地球的大气。道尔顿宣称大气层里的氮、氧、氢、碳酸气等等都与水蒸气同样地各行其是，没有结合成溶液或化合物。它们不会像水银、水和油那样按重量分层，因为气体的粒子互相排斥。那是波义耳解释气体弹性和牛顿描述流体运动时早已提出的粒子相互作用。道尔顿据之阐明氧或氢都在互相排斥中均匀地散布在容器各处，无法分别聚集在最低或最高处。他也提出斥力只存在于相同粒子之间。不同气体的粒子可以亲密无间地融合一体。这样，地球的大气层和他实验室里的容器一样，各种气体在内均匀分布，没有高低上下之别。
一步一个脚印，道尔顿将已经成熟的科学方法和牛顿物理学带进以业余爱好为主的气象学。他的论文开始在英国和欧洲流传，也因观点奇特引发广泛争议。法国贝托莱继承着拉瓦锡的衣钵，坚持大气层处于溶液状态。在英国，道尔顿也遭到一致反对，包括他在曼切斯特的好朋友、文哲学会前任秘书亨利（William Henry）和家乡早年的恩师高夫。他们都认定大气是化合物。
然而道尔顿执迷不悟。虽然身在曼切斯特，他每年回家乡攀爬湖区景色秀丽的赫尔韦林山（Helvellyn）。那年，他特意在山顶采集大气样品，与接近海平面的曼切斯特对比。
那还是洪堡回到欧洲、盖-吕萨克气球冒险的一年前。但杰弗里斯已用气球为卡文迪许采到高空大气样品，德吕克和索绪尔也分别征服布埃特和勃朗峰。道尔顿知悉他们的大气分析结论，还是亲自上山验证。赫尔韦林山的海拔高度只有950米，与前人所及不可同日而语。只是道尔顿对各式各样的量气管缺乏信心，不厌其烦地动用五种不同方法仔细分离气体才确证赫尔韦林山顶的大气成分比例与曼切斯特没有差别。他显然对这一验证异常重视，因为他认为大气如此一致的成分比例正是各种气体在大气层里自成一体的证明。假如大气由溶液或化合物组成，在地面和山巅相差很大的温度、气压等环境条件下不可能保持同样的溶解度或化学平衡。只有各自为政、互不相干的气体才能像他实验室里的容器一样保持处处相同的均匀分布。
亨利也在积极实验，试图否证道尔顿的谬论。他在那年发现属于自己的“亨利定律”（Henry’s law）：气体溶解于液体中的量与该气体的压强成正比。此成果出乎亨利意料，因为其中所谓“该气体的压强”正是道尔顿提出的“分压”。歪打正着，亨利定律为道尔顿分压定律提供强有力的证据。亨利也从善如流，反转为好友理论的支持者。
道尔顿也与亨利合作探讨气体在液体里溶解的机制。1803年底，他在一篇题为《论水和其它液体对气体的吸收》7论文末尾附上一份元素列表。拉瓦锡十四年前精心分离、检验的元素被道尔顿逐一赋予表征性的图形符号和重量数值：氢为1，氮（恶气）为5，氧为7……金、银、铂三种金属最重，均为190。
这份列表不那么起眼，作者也没在文中多费笔墨。拉瓦锡创立的现代化学却已面临又一次革命性的飞跃。
（待续）
现在的公认值为4809米。
The Ladies’ Diary: or, Woman’s Almanack
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