朗缪尔：空中有朵雨做的云

伊文·朗缪尔

Irving Langmuir(1881年1月31日－1957年8月16日）美国化学家，物理学家。1881年1月31日，美国物理化学家朗缪尔生于纽约一个贫民家庭。1932年因表面化学和热离子发射方面的研究成果获得诺贝尔化学奖。这位英俊的科学家，使人类首次战胜了自然之力，开启了人工降雨的新时代。

▲青年时期的朗缪尔。

朗缪尔1881年出生于纽约，是家中的第三子。父母常常鼓励他观察大自然，并细心纪录他的观察。朗缪尔的哥哥也是化学家，这对他一生致力于科学研究产生了不少的影响。11岁时，朗缪尔被诊断为视力不正常，矫正后，他又观察到许多以往观察不到的事，这令他对自然科学的兴趣又增加不少，这些爱好和能力大都体现在他晚年的科研发现中。

从

一只灯泡开始

1903年，朗缪尔在哥伦比亚大学获得冶金工程学位，1906年在德国格廷根大学能斯脱的指导下获得化学博士学位，他的博士论文课题就是灯泡。

回到美国以后，朗缪尔在史蒂文斯工学院教化学，其后于1909年成为纽约州斯克内克塔迪市通用电气公司的成员。他在通用电气公司的第一项任务是延长灯泡的寿命，那时灯泡的寿命是非常短的，当时的做法是将钨丝封闭在灯泡的真空里，如果有空气存在，就意味着一经加热钨丝就会迅速氧化，因此，人们认为要延长灯泡寿命必须改善真空。然而，朗缪尔的研究表明在发光灯泡的白炽温度下，在真空中钨原子会由灯丝上缓慢地蒸发，灯丝渐渐变细而最后断裂。但如果灯泡中充有一种气体（当然，这种气体不会与钨丝起化学作用）钨原子的蒸发速度就会减慢。从此以后，灯泡内就充以氮气（后来采用更不活泼的氩气），寿命就成倍地增加。

▲朗缪尔的发现不仅大大延长了白炽灯的使用寿命，更为他之后的研究奠定了基础。

此后，朗缪尔研究了热的金属表面对各种气体的影响。这使他在很多方面做了一些与电灯无关的事情，但是通用电气公司已经从他的一生中获得了足够的利润，他们完全放手让他去做他所选定的事。例如，在二十年代中期朗缪尔发明了一种原子氢吹焰，它所能产生的温度几乎同太阳表面的温度一样高。他对老式电灯泡内真空的兴趣使他设计出制造高真空管的方法，这种高真空管对无线电广播产生了重要的影响。

诺

贝尔奖之争

对在金属丝上形成气体膜的思考，使朗缪尔逐渐对原子彼此之间是如何形成键的问题产生兴趣，之后，他发现了路易斯在“原子键”问题上的研究。与朗缪尔一样，路易斯同样也是二十世纪最伟大的科学家之一，曾帮助创建加里福利亚州Berkeley大学的化学学院，并使它成为世界上最有效率的化学研究所之一。他在化学键接（chemical bonding）、化学热力学和酸碱理论方面的贡献使得其名家喻户晓。此外，路易斯还被称为化学界的“伯乐”:他一生十分重视教育工作，要求化学系的所有教师都要参加普通化学课程的教学和建设，他培养的学生当中有五位获得了诺贝尔奖[1]。

▲路易斯（Gilbert Newton Lewis，1875-1946），美国著名化学家。

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第五次索尔维会议[2]

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与会的伊文·朗缪尔

路易斯不仅自己带头在美国化学教育杂志上发表有分量的化学教育论文，而且还派出好几名知名教授去领导并编辑美国化学教育杂志。朗缪尔延续了刘易斯在化学键方面的理论，并在很大程度上推广了它，这使得路易斯非常的苦恼，朗缪尔还因为它的理论成就获得了诺贝尔奖（1932年），而路易斯尽管有惊人的15个提名，却失去了巨额的奖金。1946年，路易斯的尸体被发现于Berkeley大学的地下实验室里，同时，官方宣布他的尸体已经腐烂，大部分人认为他是自杀，并且是由于与朗缪尔的关系和随之带来的绝望。

“降

水术”：由神话、骗术变为科学

人工影响天气的愿望古已有之。

希腊历史学家普鲁塔克最早为人工影响天气提出了准科学基础。他曾记录到，一场大战役发出了雷鸣般的声响并带来了降雨。直到19世纪仍有人尝试这种做法，当时在气球和风筝上捆绑爆炸物进行降水实验是得到美国政府批准的。如此声势浩大的实验活动并没有什么实质成效，导致人工影响天气成了骗子的保留节目。然而，“降水术”最终并没有被归入“点金术”、“占星术”一类的伪科学，这主要归功于朗缪尔。

▲朗缪尔（左一）和文森特·舍费尔在通用电气实验室里观测人工造雪实验结果。

1946年，位于纽约州斯克内克塔迪的通用电气实验室，朗缪尔和他的助手文森特·舍费尔一起，把一台冰柜改造成了“云室”。二人一直在研究为什么云在零度以下也并不总是会降雪，而当时他们正在用自己呼出的水蒸气制造“过冷云”。有一天天气无比潮湿闷热，冰柜只能勉强制冷，舍费尔往冰柜里扔了一块干冰，以使其快速冷却。随后他朝冰柜中呼气，水蒸汽形成的云朵瞬间变成了数百万个微小的冰晶。偶然添加的干冰不知何故竟把云变成了雪。

将化学物质注射到云中刺激降水，这一过程被称为“播云”。经过野外试验，通用电气公司在1947年的年报中，预测播云技术会“为人类带来不可估量的价值”。全世界都欣然地迅速接受了这个好消息，一个崭新的行业诞生了，从澳大利亚到新墨西哥州，到处都有公司提供播云作业。

▲“人工降雨”技术在很多领域都产生了重要影响。

将化学物质注射到云中刺激降水，这一过程被称为“播云”。经过野外试验，通用电气公司在1947年的年报中，预测播云技术会“为人类带来不可估量的价值”。全世界都欣然地迅速接受了这个好消息，一个崭新的行业诞生了，从澳大利亚到新墨西哥州，到处都有公司提供播云作业[3]。

以

朗缪尔之名

朗缪尔的科学兴趣很广，成就颇丰，在美国科学史上是少见的。他在科学领域的丰硕成果，与他对其他领域，如文学、哲学的浓厚兴趣密不可分——他还曾获文学硕士和哲学博士学位。在科学研究以外，朗缪尔还是一名出色的登山运动员和飞机驾驶员。他常常利用工作之余登山远眺，并在1932年8月兴致勃勃地驾驶飞机飞上九千米高空观测日食。

▲晚年时的朗缪尔。

朗缪尔在半个世纪中单独或与别人合作发表了二百多篇论文和报告，获得了63项专利。由于成就卓著，他得到了包括诺贝尔奖金在内的22种学术团体授予的奖金或奖章，当选过某些著名学术机构的主席、会员或院士。有15个著名大学授予他荣誉博士学位。为了表示对这位伟大科学家的崇敬，1964年美国通用电气公司设立了朗缪尔化学物理奖，以表彰在物理化学和化学物理领域作出杰出贡献的科学家；美国阿拉斯加有一座山被命名为朗缪尔山；纽约州立大学一所学院被命名为伊文·朗缪尔学院。

▲朗缪尔环流诱导的气泡与风方向对齐排列。

▲朗缪尔环流诱导的海面污油形成的条文。

1927年，朗缪尔乘船横越大西洋从美国去英国的途中，发现在海面上存在规则间隔的长而狭窄的海草及海面漂浮物所构成的漂浮带。这些漂浮带以平行于海风的方向排列并且随着风向的转变而重新排列。对于这一有趣的现象，朗缪尔用了几年时间进行了一系列具有独创性的流体动力实验，根据实验，1938年朗缪尔给出了漂浮带现象的物理模型：这些漂浮带是由表面风和波动引起的，由局地表面辐合流造成。而这种表面辐合又是与近海面、近湖面的相向流动的经向垂直涡旋对的活动有关，这些经向涡旋的轴平行于水面风向。由此这种涡旋被人们称为朗缪尔环流[4]。

[1].以下五位诺贝尔奖获得者皆是路易斯的学生：

尤里——重氢重水的发现者，1934年诺贝尔化学奖得主。

乔克——超低温化学的应用技术发明者，1949年诺贝尔化学奖得主。

西博格——镎、镅、锔和锫等元素的发现者，1951年诺贝尔化学奖得主。

科比——用碳14测定历史年代的发明者，1960年诺贝尔化学奖得主。

开尔文——光合作用机理的研究和发现者，1961年诺贝尔化学奖得主。

[2].1927年10月召开的第五次索尔维会议可能是最著名的一次索尔维会议。此次会议主题为“电子和光子”，世界上最主要的物理学家聚在一起讨论重新阐明的量子理论。会议上最出众的角色是爱因斯坦和尼尔斯·玻尔。前者以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森堡的不确定性原理，而玻尔反驳道，“爱因斯坦，不要告诉上帝怎么做”——这一争论被称为玻尔-爱因斯坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或后来获得诺贝尔奖。

第三排：奥古斯特·皮卡尔德、亨里奥特、保罗·埃伦费斯特、爱德华·赫尔岑、顿德尔（en:Théophile de Donder）、埃尔温·薛定谔、维夏菲尔特（en:E.Verschaffelt）、沃尔夫冈·泡利、维尔纳·海森堡、拉尔夫·福勒、里昂·布里渊；

第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、亨德里克·安东尼·克雷默、保罗·狄拉克、阿瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、尼尔斯·玻尔；

第一排：伊文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨德里克·洛伦兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、查尔斯·欧仁·古耶、查尔斯·威耳逊、欧文·理查森。

[3].关于云的性质有三点需要强调：

云很懒。一团云可能储有上百万吨水，但是一般不会降雨。即便在降雨或者降雪时，云通常只会损失30%以内的水分。播云的目的是提高降水率。

云很脏。云是水蒸气凝结在尘埃、烟以及盐的颗粒之上而形成的。

云好骗。碘化银很快就取代干冰成为常用的播云结晶剂。碘化银的结晶和冰晶很像，都是六边形的结构，因此云中的水蒸气也会附着其上，随后就有了降水。

[4].朗缪尔环流：

海洋上层混合层位于海洋温跃层之上，并直接与大气相接触。在这一层中，由于风的动力作用，造成海水出现垂直湍流混合，于是称为混合层。混合层下部是温度急剧变化带，称为温跃层。温跃层将其下面的深海弱垂直温度梯度层与其上的混合层分开。

The surface layer temperature structure varies over the year.In the absence of strong winds and wave action in the summer,solar heating produces a shallow thermocline.During the fall and winter the surface cooling and storm conditions cause mixing and vertical overturn,which eliminate the shallow thermocline and produce a deep wind-mixed layer.In spring the thermocline re-forms.

Langmuir环流系统的物理结构示意图

朗缪尔环流是一个风波流系统，包括风压、波动、漂流和经向环流。上图显示了朗缪尔环流的理想模型(Jerome A. Smith，2001)。

【相关阅读】

《通往斯德哥尔摩之路》

作者: [匈]豪尔吉陶伊

出版社: 上海科技教育出版社

副标题: 诺贝尔奖、科学和科学家

译者: 节艳丽

出版年月: 2007年9月

丛书: 世纪人文系列丛书·开放人文

ISBN: 9787542843746

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