气候变迁背后的故事（三十）
气和云
十九世纪来临时，伦敦的人口达到一百万，几乎是巴黎的两倍。英吉利海峡的天然屏障护佑英伦三岛在欧洲鏖战时偏安一隅，免受拿破仑大军的直接威胁。大英帝国风平浪静地摆脱惨败于美国独立战争阴影，依托工业革命掀开历史新一页。1798年8月，纳尔逊（Horatio Nelson）指挥的王家海军大败法国舰队，终结拿破仑在埃及的军事和文化掳掠，重塑海洋霸权。国泰民安的伦敦街头熙熙攘攘，泰晤士河上的商船车水马龙。林立的烟囱愈加密密麻麻，肆无忌惮地制造着伊夫林百多年前警示的“空气和烟的不便”。伦敦人安之若素，即便抱怨时也难以掩饰对社会进步的豪情满怀。
没有经历法国大革命血腥和动乱的伦敦也不乏民间狂热。人满为患的剧场里上演的不尽是二百多年长盛不衰的莎士比亚戏剧或渐成时尚的意大利歌剧。戏台上时有声如洪钟的讲演者，滔滔不绝地阐述科学知识。他们带着闪闪发光的巨型太阳系模型、蒸汽驱动的各种自动化机械、五颜六色的光折射器具……曾经的炼金术士之宠、无须点火自燃的磷依旧收获满堂彩。而最吸引眼球的莫过于化学反应产生满台烟雾，消散时赫然闪现拉瓦锡被砍下的头颅。
这些表演者良莠不齐，以普及科学知识为己任的严肃学者与口若悬河的江湖术士并驾齐驱。他们也经常在星罗棋布的咖啡馆、酒吧和饭店里巡回演出，无论何时何地皆一票难求。伦敦人对科技的热情与班克斯曾讥讽的“法国人一时性歇斯底里”有过之而无不及，犹如被梅斯梅尔催眠般如痴如醉。巧舌如簧的讲学人财源滚滚，堪比娱乐明星。仰仗这席卷全国的知识渴求，33岁的道尔顿在偏远的曼切斯特也能在辞去学院教职后以收费课程和个别辅导维持安逸的生计。
出版业也不甘寂寞。1797年，化学家尼科尔森（William Nicholson）创办《自然哲学、化学与艺术期刊》1，开普及型的商业化科学期刊之先。王家学会的《哲学会刊》已延续130多年。法国科学院、曼切斯特文哲学会、爱丁堡王家学会等各地学会也都有自己的会刊，为会员和学会之间的交流提供专属园地。《自然哲学、化学与艺术期刊》独树一帜，面向大众发表不知名作者短小精悍、生动活泼的文稿，被读者亲切地昵称为《尼科尔森期刊》2。一年后，苏格兰人蒂洛赫（Alexander Tilloch）也推出《哲学杂志》3欲分一杯羹。
在慕尼黑功成名就、还没有去巴黎迎娶拉瓦锡遗孀的伦福德伯爵在1798年来到盛世中的伦敦。他敏锐地看出安于品茗论道的王家学会与新时代格格不入，慷慨捐出大笔钱财并鼓动伦敦贵族和富豪集资另起炉灶。56岁、已担任王家学会主席21年的班克斯心领神会，协助伯爵获得国王乔治三世的恩准。伴随着十九世纪的到来，独立于王家学会的“王家研究院”（Royal Institution）隆重开张。
虽名为“研究院”，新机构旨在顺应潮流满足并提升民众对科学知识的热忱，传播最新进展。33岁的苏格兰名医加内特（Thomas Garnett）应聘为第一任教授。他在曼切斯特开办的讲座曾是道尔顿的化学入门课，可惜来到伦敦后已是疾病缠身。伦福德伯爵觉察性格内敛的加内特难以胜任研究院的特殊重任，与班克斯一起在1801年2月物色22岁的戴维（Humphry Davy）前来担任助手。五个月后，他俩又为研究院选中28岁的杨（Thomas Young）担任“自然哲学教授”。
籍籍无名的戴维和杨来自远离伦敦的英国西南海滨，有着相似而又不同的履历。戴维出生贫穷，幸好有一位富足的“外公”。他母亲幼时失去双亲，由一位医生收养。该外公对小戴维青眼有加，资助他完成基础学业。戴维长大后最爱写诗，也在当地一位贵格教徒辅导下阅读牛顿、布丰、拉瓦锡等人的著作和尼科尔森的介绍性作品，自己模仿着做实验。他的命运在不到十七岁时因偶然机遇改变。
1797年夏天，瓦特一个患肺病的儿子来海边疗养时在戴维家里借住，与略为年轻的戴维结成好友。瓦特通过儿子了解到戴维的才华，介绍他去附近一家气体研究所当助手。那里的知名专家正在探究普里斯特利分离出的各种气体的医用功效。初生牛犊不怕虎的戴维坐在瓦特为他设计的封闭“吸气箱”里体验自身感官对各种气体的反应，全然不顾它们的潜在危害。普里斯特利早年曾分离出一种“含燃素硝气”（phlogisticated nitrous air），普遍被认有毒。戴维试用后“忍俊不禁”，称之为“笑气”（laughing gas）。他分析出该气为氮的氧化物，遵循拉瓦锡的命名原则将其正名为“氧化氮”（nitrous oxide）。班克斯和伦福德伯爵读到戴维出版的笑气专著后立即投以橄榄枝。
杨出生于离戴维不远的乡村，家境略为宽裕。他也是由外祖父抚养长大，据称两岁时显露阅读天赋，四岁通读《圣经》，自九岁起自学经典著述，掌握多种语言。但杨的家庭信奉贵格教，他受正规教育的机会有限。在伦敦行医的外舅公资助下学医时，杨阅读牛顿的《原理》和《光学》、解剖牛眼睛，在1793年作出第一篇科学论文。由于他年仅十九岁，这篇《关于视觉的观察》4的论文由外舅公在王家学会代为宣读。杨在文中提出眼睛能分辨颜色的功能在于视神经，与道尔顿将之归因于眼球内液体颜色的猜测完全不同。一年多后，杨在刚过21岁时被接纳为王家学会成员。
尽管杨对自己承袭的贵格教会传统和规矩并不看重，他也不得不追随外舅公和众多贵格先辈的足迹背井离乡，先后到苏格兰的爱丁堡和德国的哥廷根上大学。归国后，杨发觉在伦敦行医还需要剑桥的文凭，遂脱离贵格教会才得以进入剑桥。1799年，杨终于在伦敦开业行医。因为生意寡淡，他有闲暇继续研究眼睛和光，也接受班克斯和伦福德伯爵的聘请到王家研究院“兼职”。
桀骜不羁的年轻诗人学者戴维正是伦福德伯爵心目中王家研究院的理想人选。他将笑气等气体带上研究院讲台，擅长哗众取宠的戏剧性。著名漫画家吉尔雷（James Gillray）为新讲坛的火爆留下一幅耐人寻味的剪影：讲桌旁，为研究院贡献不菲的希皮斯利准男爵（Sir John Coxe Hippisley, 1st Baronet）正被从口腔灌入某种不明气体，蒙受凶猛的不雅生理反应。一脸狡黠的戴维站在旁边，手持气袋已准备好下一个恶作剧。高鼻子的伦福德伯爵站在右侧角落，为台上台下的交相辉映心满意足。图中操作实验的主角身份不详，似应为戴维的同事加内特或杨。但他的满头白发与两人年龄不符，更合理的推想是漫画家将那时不在伦敦的名人瓦特硬拽进这个荒诞场景。
在新世纪的1800年7月号上，《尼科尔森期刊》登出一篇有意思的文章，作者为尼科尔森本人和他的合作者、医生卡莱尔（Anthony Carlisle）。
十多年前，意大利动物学家加尔瓦尼（Luigi Galvani）解剖青蛙时惊觉刀尖触碰会触发蛙腿的抽搐，偶而还有电火花。他认定电产生自动物之身，系神秘的生命现象。“加尔瓦尼刺激”（Galvanism）广为流传，也是伦敦科学秀的又一噱头。青年洪堡曾在自己身上切口连接电线实验，不惜伤痕累累。但也是在1800年，加尔瓦尼的同胞伏特用盐水代替蛙腿取得同样的“发电”效果，证明加尔瓦尼的电其实来自化学反应。伏特由此发明比莱顿瓶更有效的产电装置，沿用富兰克林的命名叫做“电编队”——电池。
尼科尔森和卡莱尔随即利用电池实验水的导电，注意到电极上有气泡出现。他们精心地收集分析，发现两个电极上的气还不一样：负极和正极上冒出的分别是氢气和氧气。
卡文迪许早已观察到氢气在氧气里燃烧的产物是纯净的水。拉瓦锡让水流过烧热的铁，证实水可被分解为氢和氧。尼科尔森和卡莱尔的实验因而不足为奇。但他们找到的是一个分离水的新途径，远比拉瓦锡的操作简便实用。这不失为一大创新。两人都不是王家学会会员，也没有投稿《哲学会刊》。他们的原创性论文在《尼科尔森期刊》上首发，堪为新时代的新气象。
《哲学杂志》的蒂洛赫是纯粹的出版商，没有自己的论文可与《尼科尔森期刊》此举媲美。他只好游说知名学者为杂志撰文，同时费尽心机寻求游离于主流学界外的新突破。功夫不负有心人。1802年底，蒂洛赫在一个名为“阿斯克西安学会”（Askesian Society）的小团体聚会上听到一位默默无闻的小青年讲解《论云的分类》5。
蓝天白云是心旷神怡的好天气。在不同角度的阳光照耀下，柔软舒适的云五颜六色，引人联想为天上神仙的霓裳。在希腊神话里，宙斯干脆用云捏制出美丽的仙女涅斐勒（Nephele）。来去无常的云在古代中国也是哪吒、孙悟空的飞天座驾。
在炎热的夏日，遮荫的云是天赐礼物。铺天盖地的黑云却又会让人心惊胆战，预兆暴风雨的降临。云调节太阳光的威力，主宰阴晴冷暖，乃气象观察的关键因素。尽管有云不一定会下雨，雨雪却必然地是从云里降落。显而易见，云里面肯定含有大量的水。亚里士多德和笛卡尔一致地主张云由悬浮在空中的液态水滴——而非气态的水——组成，分别在《气象学》和《论气象》里援引云里偶尔得见的彩虹为证：亚里士多德指认彩虹源自水滴反射的太阳光；笛卡尔更严谨地以阳光在水滴内部的折射诠释彩虹的形成。
亚里士多德还根据地球表面以上有水、气和火三个壳层坚称云只存在于气和火之间的狭窄区域，大约等同最高山巅的高度。在那之上是火的壳层，不可能再有水滴。在那之下，地面反射太阳光的热气也会将水滴蒸发，无法聚集成云。
1644年11月的一天，伊夫林在意大利托斯卡游玩时在山坡上遭遇一片云。他回顾云里一片昏暗，上不见天下不着地。他们摸索着走了约一英里（1600米）后才从云层上端露头，豁然开朗。脚下白云一望无涯，宛如大海。头顶阳光普照，山头只是汪洋中一座孤岛。伊夫林不是科学家，在为恍若隔世的美景折服之余没有测量。他漫步的只是一座海拔不够九百多米的小火山，已身在云里。亚里士多德想当然的思辩不攻自破。随着登山和气球在十八世纪末的风靡，人们很快经常性地在不同高度穿越云层。洪堡和盖-吕萨克分别在钦博拉索山和氢气球的极高处也清晰地看到头顶上仍有遥不可及的云彩。那并非火的领地。
十九世纪的学者也已经认识到真正的水蒸气无色透明，肉眼不可见。少年瓦特和众人看到的茶壶、锅炉里冒出的“汽”实为水蒸汽遇到冷空气后凝结出的水滴。天边的云清晰可见，也只能是同样的水滴。这是一个比彩虹更切实的证据。至于水滴如何长时期悬空而不落下，比亚里士多德更早的阿那克萨哥拉想象云里的水处于剧烈的运动状态，如同锅炉里被烧开的水。笛卡尔和牛顿猜想水滴内藏气泡，如肥皂泡般地漂浮。
气象观察在笛卡尔之后进入以温度计、气压计、风速计、雨量计为象征的定量测量时代。纵使天际的电闪雷鸣也由富兰克林证实为云中的放电，可由导线和静电计测知。云却固执地无法计量。从托斯卡纳大公爵的实验科学院到虎克以及后代的气象学家和气象爱好者记录云时限于“多云”“少云”等日常语言，最多再加上云的浓淡和表观颜色。这与科学标准相距甚远。
天真的孩子们倒是热衷从云的形状里辨认出各种动物和花样。成年人一笑置之。每个人看出的图案各有不同，也都转瞬即逝，无法与强调可重复验证的科学方法合拍。于是，在气象学里举足轻重的云被日渐淡忘。以涅斐勒命名的“云学”（Nephology）徒有其名。
直到1802年底，正值而立之年的霍华德（Luke Howard）在阿斯克西安学会宣称变幻无常的云也能够逻辑地分类鉴别。
霍华德对云的着迷大约始于十岁左右。他也出生于贵格家庭，但生活境遇比道尔顿和杨都强很多。霍华德的父亲是伦敦颇有成就的铁匠，笃信教义并热衷公益和慈善。霍华德自幼生活无忧，在伦敦郊区最好的贵格教会学校上学。但他为没完没了的拉丁文课程百无聊赖，早早完成功课后总无所事事地凝视着窗外的天空，对着千变万化的云出神。十四岁毕业时，霍华德在自家花园里修建一个简易的气象站，一天两次记录气温、气压和雨量等等。他也时不时描画自己看到的云，为之陶醉。
身为贵格教徒，霍华德没有上大学的机会。父亲送他到曼切斯特附近一个荒凉小镇当药店学徒，免得他在都市里分心。长达七年后，霍华德才期满回到伦敦开办自己的药店。他的生意很快大有起色，又与贵格教徒艾伦（William Allen）合伙开工厂，生产对疟疾（malaria）有特效的“奎宁”（quinine）等药品。两个好朋友都是伦敦剧院的常客，追捧着一位讲授化学课程的大明星。无奈明星后来离去。好事的艾伦干脆自行创立阿斯克西安学会，组织一群二十来岁的青年自行讲课、交流和辩论。学会的名字出自希腊语“训练”（askesis），彰显他们自我提升之雄心。年轻人不拘一格，经常以研究为名集体吸食戴维的笑气，追求欢乐时光。
小小的学会打开霍华德的眼界。他如饥似渴地汲取科学知识，尤其喜爱比自己仅大六岁的贵格教友道尔顿新出版的《气象观察和随笔》及一系列后续论文。世纪之交时，霍华德已经结婚生女事业有成，一帆风顺中没有忘记中学时的痴迷。他在郊外住房顶部加盖一个四面和顶面都是透明玻璃的小阁楼，一有空闲就躲在里面仰头看云。
道尔顿也在《气象观察和随笔》里叙述对云的由来和构造的见解。在道尔顿的大气里，水蒸气是没有与其它气体结合或溶解的独立存在，在环境温度低于“蒸汽点”时凝结成液态的水珠析出。在不胜寒的高处，水珠还会被冻成固态的“冰晶”（ice crystal）。云便是这些水珠或冰晶的集合，因数目众多体积庞大而为地面的人眼可见。水珠和冰晶也都只是平常的液态或固态水，非笛卡尔或牛顿臆想的“肥皂泡”。它们在地球引力中下落，同时也被由地面上升的热空气托举，故能长时间在空中悬浮。
霍华德读后恍然大悟。在地面上看起来纹丝不动的白云并不祥和安宁，难以计数的水珠和冰晶既因重力下落，又被热空气推动上升。那正是阿那克萨哥拉两千多年前描述的云，或十七世纪伦福德伯爵揭示的热在流体中传播之对流。自那时起，霍华德看云时不仅观其形，更以牛顿和道尔顿的科学眼光追踪云的出现、演变和消失，揣摩其中的动态物理机制。既然云由遵从牛顿力学的水珠或冰晶组成，它们的运动必然有规律可循，不会是阿那克萨哥拉和他之后两千多年学者认作的随机。在霍华德看来，液态的水滴和固态的冰晶无异于伦福德伯爵掺入水里的琥珀碎末，正以集体组成云的方式向人类展示气的对流。以此为切入点，霍华德找到为云“分类”的途径。
风是大气层对流的首要表征，因其对航海的重要性已由哈雷和哈德利系统地探讨。与大海里的洋流相同，大气环流的风是沿着地球表面的“横向”流动，平衡赤道和两极间的温度之差。风也是人类切身感受的天气现象，自伽利略和桑托里奥时起又已有风速计的定量测定。不过除却偶尔的登山或气球行，人们接触的只是地面的风。头顶大气海洋高处的风向、风速无可企及。
霍华德独具匠心，借助大自然的冰晶观察到高空的风。高空的云有着鲜明的特色，一缕一缕地仿佛随风飘荡的头发。那也的确是被风吹动的冰晶，其“头发”的指向、长度和卷曲显示着所在地风的方向和强度。搬用拉丁语的“卷发”，霍华德将这类云命名为“卷云”（cirrus）。
卷云的现身意味着高空有强风吹过，往往是天气变化最早的信号。当然高高在上的卷云不很普遍。晴朗天空里最常见的是一堆又一堆松软棉花似的云，即所谓的“白云朵朵”。霍华德也用拉丁语的“堆”称之为“积云”（cumulus）。
积云的边缘很平滑，看不出卷云式被风横向吹拂的痕迹。霍华德却点破那只是一个假象。积云的位置比卷云低得多，因气温高于冰点而由液态的水滴组成。与稳定的冰晶不同，水滴被风吹开后即刻蒸发失去踪影。人们能看到的只是在风中保持整体形状的剩余部分。它们是半圆形的锥体，有一个不规则但与地面平行的底部。有意思的是同时在天上的一朵朵积云的底部高度不相上下。霍华德指出那绝非巧合，正是道尔顿“蒸汽点”所在的高度。
大气层在两极和赤道的水平方向之外还有随高度而变的温差，在阳光普照的白天尤为显著。接近地面处的空气燥热，因查理、道尔顿和盖-吕萨克发现的热胀冷缩定律膨胀上升。它们带有大量地面蒸发的水蒸气，在接近气温恰为道尔顿“蒸汽点”的高度开始析出为水滴，天空中也就有了人眼可见的云。
积云大多在清晨出现。它们初始时很小，位置也低。随着白天气温增高，积云也跟着蒸汽点上升至半空。一些积云内的水滴陆续被风吹散或蒸发，无以为继地萎缩、消失。更多的云得到来自地面越来越多水蒸气的补充，在积云底部不断析出水滴。它们由热空气推举继续上升，导致积云体积的增大。水滴在风吹和蒸发中的损失造就积云上窄下宽的锥体。积云因而是大气层高低之“纵向”对流的产物和体现。同时，积云内的水滴也因重力不断下落，与被热空气推升的水滴你来我往，直接参与空气的对流，平衡锥体底面和顶端间的温度差异。
在不那么热的日子里或太阳下山后的夏日夜晚，地面和大气层上下方向的温差锐减。这时既不需要剧烈的纵向对流，也不再有足够的热空气和水蒸气支撑、补充锥形的积云。天空中的云也就换了一个模样。它们平平整整地横向展开，像一层温暖的棉被。那是霍华德确认的第三类云：“层云”（stratus），拉丁语的“层”。
层云的位置又比积云低，覆盖面也大得多。层云内部的对流相对温和，不再是阿那克萨哥拉所言的开水般剧烈翻腾。人若身在层云里可能浑然不觉。那也正是日常的生活经验：层云经常低至地面触手可及，就是司空见惯的雾。云和雾在文学词句里常被相提并论，以科学而言也果然是同一个自然现象。
卷云、积云和层云构成霍华德归纳出云的“基本类”（simple modification）。他紧跟着断言云千姿百态，却万变不离其宗，只需这三个基本类即可一览无余。天上的云若非三者之一，便是处于它们之间的过渡或组合之中。
冰晶从高空下落到气温高于冰点的区域时会融化成水滴。卷云因之失去“卷发”，逐渐获取积云的韵味。这个转化过程之中的云状若鱼鳞，十分醒目。霍华德称之为“卷积云”（cirrocumulus）。卷云也可类似地向层云转变，即“卷层云”（cirrostratus）。这是云的两个过渡型“中介类”（intermediate modification）。
温度和湿度条件合适时，积云和层云也会在中低空同时出现。它们相遇时叠在一起组成“积层云”（cumulostratus），一种兼备积云和层云特征的多层高塔。如果高处还有卷云的参与，三者组合则为“积卷层云”（cumulo-cirro-stratus）。这是两种非过渡型的“组合类”（compound modification）。积卷层云的名字过于繁杂，霍华德干脆赋予它一个简单的代称：拉丁语里的“雨云”（nimbus）。
由水珠或冰晶组成的云大概率不会带来雨，屡屡让承受干旱之苦的芸芸众生伤心失望。其实，他们头顶上的云一直在“下雨”，只是水滴被底部的热空气重新推举上升，空有对流而没有落雨。只有当足够多的水滴所受重力大于热空气阻力时，雨水方可倾泻而下，滋润人间的土壤。
笛卡尔在《论气象》里猜想所有的雨均始于固态的雪。霍华德也所见略同。高空的冰晶下落时彼此融合，也捎带着粘上一路的水滴，构造出形态万千的雪花。它们直落地面时为雪，落地前如果已经融化为液态则为雨。在温度低的日子里，即便层云上端也有足够的冰晶下落，促成连绵不断的蒙蒙细雨或雪。但在酷热的夏日，积云需要急剧壮大，延伸到卷云的领地才能有足够的冰晶启动降雨。这时的积卷层云——雨云——高高的顶端冰冻变平，形如霍华德父亲常用的铁砧。里面不计其数的冰晶已经蓄势待发。暴雨顷刻而至。
在蒂洛赫的慧眼识珠和大力协助下，霍华德《论云的分类》在1803年7月至10月的《哲学杂志》上洋洋洒洒地分三期连载。《哲学杂志》终于有了自己的轰动性原创。无从捉摸的云也以卷云、积云、层云的新名称堂堂正正地进入气象学，与温度、湿度、雨量和风力等等一起描绘大自然，预测气象的演化。
因为一位没上过大学的贵格教小青年，十九世纪的云不再虚无缥缈。
（待续）
Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts
Nicholson’s Journal
Philosophical Magazine
Observations on Vision
Essay On the Modification of Clouds