咱们还是书接上文。咱们上文书主要讲了雅科比·皮耶克尼斯的主要贡献。他在气象学方面也算是一代宗师。他和他老爹威廉创建的卑尔根气象研究所基本上就相当于20世纪气象学的黄埔军校，培养了大批优秀的人才。
当然他后来到美国访问，因为二战打起来了，他就回不了挪威了，只能在美国住下来，他的后半生就是在美国度过的。在美国他也培养了大量的人才。我们这回就要讲的这位科学家叫托尔·贝吉龙。他是个瑞典人，他也是卑尔根气象研究所培养出来的。他从1908年就对气象学非常感兴趣。他是1891年出生的，所以那时候他才17岁。他还在读寄宿学校。学校的老师派给他一个工作，那就是连续一个月每天观察气压计。从此他就养成了一个记录天气日志的习惯，而且这个习惯保持了一辈子。
托尔·贝吉龙在贝吉龙4岁那年。他的父亲因为急性风湿性关节炎去世了，年仅36岁。剩下了一对孤儿寡母，你叫这母子俩怎么活呢？好在他们家亲戚还不少，靠亲戚的资助，贝吉龙完成了学业，进入斯德哥尔摩大学学习数学和物理，1916年毕业。后来贝吉龙一直从事气象学的研究，而且还有了点名气。那时候卑尔根气象研究所正在招贤纳士到处挖人。雅克比这帮人就盯上贝吉龙了。他们打听来打听去，发现这个贝吉龙居然和诺贝尔化学奖得主阿伦尼乌斯认识，这下两边算搭上线了，那就好办了。反正，卑尔根的这帮人通过好几条渠道七拐八弯的，终于找到了贝吉龙，双方约好见面，卑尔根研究所的人主动上门请贤。多年以后，贝吉龙仍能回忆起1918年11月的那一天，他就在瑞典皇家科学院气象学院的办公室里坐着。雅可比和索伯格走了进来。这几个人就聊开了，还挺嗨的。雅克比和索伯格摊开了一张又一张的天气图，非常激动的向贝吉龙展示一个暖锋是如何爬过山坡的。
阿尔卑斯山的云
贝吉龙对这方面也是很有研究的，因为他家在阿尔卑斯山上有个别墅，视野很开阔，能看到对面的山头，下面山坳里还有一个湖，阿尔卑斯山的景色别提多美了。他在自家别墅就能亲眼看见在对面山头背风坡的云是怎么形成的。他能不熟吗？既然双方聊得很开心，他也就决定到卑尔根气象研究所去工作一年，那时候贝吉龙的顶头上司是瑞典气象局的主管，主管特批，他可以到挪威去进修学习一年，好好学学卑尔根学派的新气象学。所以这一次雅可比他们也算不虚此行，他们一共招募了5个人，其中就有贝吉龙和罗斯贝。这个罗斯贝是一个非常重要的人物，他起到了承前启后的作用。我们此处按下不表。
卑尔根学派提出的温带气旋模型示意图（雨的形成）在卑尔根研究所，老爷子威廉·皮耶克尼斯和索伯格是比较偏向理论研究，雅克比和贝吉龙比较偏向于综合研究。当时的主流理论是雅克比1918年搞出来的那个气旋的模型。贝吉龙就是在这个基础上继续做进一步的探索，所以他在1919年提出了锢囚锋的概念，这也算是他在卑尔根研究所的一个成就吧。当然啦，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。
当温度足够低，雾被冷杉林清出一树之高
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，叶子很细。树林里有一条弯弯曲曲的小路，贝吉龙经常沿着这条小路溜达。这个山头经常会被一层很冷的雾包围。他发现当气温低于-5度的时候就不会有雾了。但是当气温高于0度的时候，就会有雾。这是为什么呢？这是因为冷空气在穿过这片小树林的时候，如果温度很低，低于零下5度这个时候，冷空气中的水分碰到冷杉的树叶就会结冰。所以冷风吹过以后，冷杉树上到处都挂着冰碴子。也就是说当含有水汽的冷空气从这片树林穿过的时候，水都变成冰碴子，冻在了树枝上。空气中自然也就没什么水汽了，当然也就不会有雾了。这个现象给了他很大的启发，在1928年的时候，他用德文写作的博士论文。提到了这个观点，云层中的小冰晶对降水起到了至关重要的作用。到1933年在里斯本的一个国际会议上。他发表了一篇论文叫做云和降水的物理过程，把这个想法做了充分的发展，他最提出了一整套冰晶理论，用来帮助解决气象学上由来已久的一个问题，那就是雨到底是怎么产生的？
地面上的暖空气带着大量水蒸气升向高空，高空的气压比地面附近要小得多，所以这一团暖气在上升过程中压力渐渐降低，体积渐渐膨胀，这个过程是个降温的过程。当温度降低到一定程度，再加上空气中充满着各种各样的细微颗粒，这些颗粒就构成了凝结核，凑够了这两个条件。水蒸气就要凝结成小水点了。当然了，这些小水点体积非常非常小，它们被称为云滴。云彩的云，水滴的滴。云滴体积非常非常小，直径大概是25微米，对比之下人的头发有多粗呢？人的头发是75微米。这些小水点实在是太小了，它们在空中飘着且落不下来呢。从1千米高度的开始下落的话，大概要几个钟头才能落到地面。如果近地面附近温度比较高的话，这些小水点落不到地上就已经被蒸发了。那么，要形成降雨落下来，落到地面还没蒸发完，水滴要多大呢？起码也得2毫米吧，直径是云滴的100倍。算体积的话，可是三次方的关系，是100万倍。所以说，这些小云滴要攒够100万个合并在一起，才能凑够一滴雨。单纯靠水蒸气凝结成云滴是没有办法凑成雨的，一定是有什么过程使得这一滴水迅速长大。正因为贝吉龙的理论解释了中纬度地区产生大量降水的过程，所以这个过程也被称为贝吉龙过程。当然，因为对外国人名的翻译不同，也有翻译成“伯杰龙过程”的，说的都是一回事儿，这个过程的关键就是冰晶的产生。我们通常都认为水到0度就会结冰了，其实这个观念是错的。非常纯净的水，在0摄氏度的时候是不会结冰的。悬浮在空气中的纯净水滴，直到气温下降到接近-40摄氏度的时候才会冻结。温度在0度以下的液态水，我们称为过冷水，这种水的状态是不稳定的，稍微受到一点干扰，它嘎嘣一下就冻成冰了。天上为什么会下冻雨呢？就是因为水处于过冷状态，它碰到东西以后，马上就冻成小冰晶。所以这就解释了贝吉龙在度假的时候看到的情景，当温度很低的时候，空气中的小水滴都是属于过冷状态。风吹过冷杉树林，小水滴就会凝结在树叶上。这就等于把空气之中的水分全部吸干了。
也就是说，过冷的水滴不碰上东西它是不会凝结的。但是空气中有什么东西能让云滴凝结成冰晶呢？好像也很少。所以要温度低到零下10度左右，云里面才会出现小冰晶。气温在零下10度到零下20度之间的时候，液态水滴和小冰晶处于共存状态，如果温度低于零下20度，那么这一大片云彩都是由非常微小的小冰晶组成的，不是小水点。所以高空的云，往往都是冰晶组成的。
冰晶能吸收附近过冷水滴的水份生长壮大接下来就是小冰晶发挥作用了。小冰晶有个特点，它能够从周围过冷的水滴上吸收水分而长大。只要条件合适，小冰晶就能越长越大。对冰晶凝结理论作出重要贡献的人，就是德国气象学家阿尔弗雷德·魏格纳。很久以前我们提到过他，那时候我在讲大陆漂移。没错，这个魏格纳提出大陆漂移学说的那个人，他的本职工作是气象学家。所以在中纬度地区。如果一团云彩温度足够低，处于小冰晶和过冷云滴的混合状态。很有可能就会造成小冰晶迅速长大。那以后它就会往下掉，下落速度会大大加快，但是这种小冰晶往往长得不太结实，在气流冲击之下有可能会碎掉，碎掉以后就会产生更多的小冰晶，这些小冰晶又会变成种子继续长大，然后往下掉。于是就引起了连锁反应。这些小冰晶还有可能变成大雪花。至于落到近地面附近的时候，到底是变成下雨呢？还是下雪呢？还是下雨加雪呢？就看见地面附近的温度了。如果地表温度高于4℃。雪花通常在掉到地面以前就已经化掉了，也就变成雨了。所以在炎热的夏季，一场暴雨，实际上有可能是从高空的一场暴雪开始。
这就是贝吉龙过程，后来这个理论经过芬德森的完善。所以这个过程也被称为贝吉龙-芬德森过程。当然你也可以把名字全都列全了，称为魏格纳-贝吉龙-芬德森过程，只要你不嫌麻烦。这几个人都有贡献。几十年以前气象学家们都认为除了那种极细的毛毛雨，其他大多数降水都是由贝吉龙过程造成的。但是后来又发现不对劲了，在热带地区，云没有那么冷，并不是处于冰晶和过冷水的混合状态，这些云往往都是暖云，那这个暖云是怎么下雨的呢？用贝吉龙过程就没法解释了。现在研究表明。全由液态水滴构成的这些云彩，往往存在一些比较大的液滴。因为空气不是那么干净，空气里面总有一些凝结核，这些凝结核就导致这个水滴长得比较大。这些大号的水滴降落可比那些个25微米左右的小水点可要快多了。这些大号水滴在下落过程中就像贪吃蛇一样，碰上哪个小水点就把哪个小水点吞进去。自身也就迅速长大了，长大了下落得更快，吞得更多。当然了，水滴在下落过程中是会推动周围空气的，造成了周围空气的扰动。也会促使更多的小水点撞到一起变大。还有一个因素是因为云彩中的小水滴小冰晶是带电的，同性相斥，异性相吸，也会造成复杂的碰撞。水滴下落过程中，因为气流的吹袭也会造成变形破碎，又造成了连锁反应，这个过程是相当复杂的。
雷雨云不过呢，不管怎么说，那些特别厚的云彩就赚了便宜，因为一滴水从云彩顶端落到云彩底端要走好远，能撞到很多很多的小水点。如果云层很薄，水滴还没吃到多少就从云层里穿出来了，那水滴自然也就长不大。为什么夏天容易下暴雨，就是因为夏天的雷雨长得太厚了，简直跟个大蘑菇一样。这种垂直高差特别大的云彩就容易制造出大号雨滴。甚至有可能在雷雨云的顶端是由贝吉龙过程造成了降雪，在下落过程中化掉了，变成了水。然后又开启了水滴碰撞模式。有时候雷雨发展非常强烈。云彩可以长得特别大。云彩的底部是1千米到2千米高，云的顶部可以高达上万米。云层的顶部是零下15度。可是近地面附近的气温可能达到了二三十度甚至更高。这种强烈的温差造成了极强的对流。
大号冰雹的结构这时候，问题就变复杂了。云彩的顶部因为贝吉龙过程造成了降雪，但是这些雪花在下落过程中，可不是一帆风顺的，因为有强烈的上升气流，而且在云层之中，气流还是乱七八糟的。所以也就造成很多冰颗粒落下去又被吹上来，落下去又被吹上来。每次路过富含过冷水滴的区域，表面就会冻上一层冰壳子。在云层里多转几圈，表面的冰壳子就厚上去好几层。最后变成冰雹掉下来。美国有记录以来最大的冰雹发生在2010年7月23日，地点是在南达科他州的维维安。冰雹直径高达20厘米，这是多大一个球啊？上称一称，足有 900克。这是1斤8两重的一个大冰雹，砸谁脑袋上谁开瓢。所以一直到上世纪30年代，下雨的基本原理才被科学家们搞清楚。这时候人类突然冒出了一个大胆的念头，那么能不能人工干预天气呢？比如说人工降雨行不行？美国化学家兼物理学家欧文一生搞过很多研究。1932年他因为表面化学的研究成果获得了诺贝尔化学奖。后来他就联合了文森特、约瑟夫等等一些人一起进行人工降雨的研究。他们经常在实验室里对人工降雨的方案进行讨论，为了方便研究呢，他们利用实验室里的电冰箱设计了一个充满水蒸气，可以通过调节冰箱温度，使这些水蒸气变成人造云的一种装置。说白了他们就是在实验室里制造云彩。
造云的冰箱（穿西服的是欧文·朗缪尔）当然了，我们知道光有云彩还不够，这些云彩里面的云滴必须处于过冷状态。这时候，我们还要想办法诱发贝吉龙过程。说白了就得想点办法，让这些过冷的云滴冻结成冰晶。这帮人鼓捣了好久，他们往人工云彩之中加入了各种尘埃颗粒，但是效果不理想。有一天天气异常炎热，这帮人又在实验室里工作，当他们再次对人工降雨进行实验的时候，这个冰箱突然出故障了。这个实验装置的温度不但降不下来，反而在持续上升。刚刚做好了一朵人工云，眼看就完蛋了，情急之下。
文森特·舍费尔文森特弄了一大包干冰就倒进去了。干冰温度很低，在常温下它会升华变成气态，同时吸收大量的热。这些干冰往里一倒。立刻效果惊人，这一团云彩立刻产生了无数的小冰晶，简直是亮瞎了眼，而且还聚成了一片一片小雪花飘落下来。可以说他们是歪打正着。因为他们的冰箱不怎么样，冷冻实在太慢，所以无意之中制造出了过冷水滴，然后一把干冰撒进去。云朵的温度迅速下降，降到 -40 度以下，水蒸气就会凝结出大量的小冰晶。OK齐活了，于是实验室里就飘出了雪花。到了1946年的11月份，他们组织了一次实验活动。他们坐上飞机。在天上寻找了一片适合的云彩，把干冰倒了下去。30分钟以后天上下雨了。人类历史上第1次真正的人工降雨获得成功。
碘化银当然啦，现在人工降雨一般不用干冰，干冰因为必须低温保存，用起来挺麻烦的。现在都是用碘化银。因为碘化银可以直接充当冻结核，使得过冷水滴冻成小冰晶，它并不需要自身温度很低，所以这东西使用起来就相对方便很多。贝吉龙1949年被授予皇家气象学会西蒙斯金质奖章。1966年，他被世界气象组织授予国际气象组织奖。算是表彰他对气象学做出的贡献吧。他是卑尔根学派的重要人物，大家会发现，那个时代很多著名的气象学家都是来自斯堪的纳维亚，罗斯贝也是瑞典人。他算也深度参与了卑尔根学派的研究活动，而且开创了芝加哥学派，芝加哥学派对我国的气象事业也有非常大的影响。罗斯贝和我国气象学的这档子事儿，我们下次再说。
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