作者:龎鈞翰

審定:鄭弼升、嚴天浩

科學家的時空背景

在西元前4世紀的古希臘時代,名哲學家 - 亞里斯多德(Ἀριστοτέλης)在他的<<天象論>>(<<Μετεωρολογικά>>)一書中指出,溫暖的空氣團較為疏鬆且易於上升,而寒冷的空氣團較為沉重且易於下沉,兩者的交互作用會產生空氣對流乃至於天氣變化。其中,降雨的現象是由從海面或大面積湖面吹來的氣流,因為構成這種氣流的空氣中富含水份,因此就會帶來降雨。雖然科學革命時代,推翻了很多古希臘時代以來對自然現象的誤解,但是天氣學方面的研究革新,除了17世紀英國的天才科學家哈雷,提出過與季風和信風成因的革命性研究成果外,並沒有其他舉足輕重、能完全消除古希臘人建立的"誤解"之研究結果,以至於讓亞里斯多德這種解釋天氣變化與降雨成因的論述,被西方世界延續到了約19世紀的時間。

1686年,哈雷運用自己的觀察數據,以及地理大發現以來各個航海家對全球多處的風向分布,發現了太陽照射供熱時間和熱能量不同,會造成不同緯度間的氣溫差異,進而造成了全球各地盛行風風向的不同,因此,風會從氣溫較低的南或北緯30度左右的區域,吹向氣溫較高的低緯度區。所以,地區氣溫差異也被當時候一直到19世紀的人,當作是決定風向的主因。

圖 全球氣溫分布圖。上圖為一月時(北半球冬季)的氣溫;下圖為七月(北半球夏季)的氣溫。圖中的氣溫數值是採用"攝氏"為單位。

圖片來源:www.earth.usc.edu/~stott/Catalina/tempdistribution.html

科學家的經歷

圖 陸米斯的肖像畫。

圖片來源:www.en.wikipedia.org/wiki/Elias_Loomis

1811年,陸米斯(Elias Loomis)出生於美國康乃狄克州威靈頓鎮(Willington, Connecticut, the USA)的一個牧師家庭中。由於他的父親也是有著耶魯大學(Yale University)榮譽碩士學位的高知識份子,因此,他在年幼與青年時期,除了在學校接受一般的小學或中學教育之外,他也接受了家中長輩的希臘文與數學指導,在同儕之中可謂是相對博學許多的年輕人。

1826年,年僅15歲的陸米斯考入了耶魯大學的理科學士班(當時被稱作耶魯學院, Yale College),並以名列前茅的成績在1830年畢業。在畢業後的約2年間,他原本想進入神學院就讀,並繼承家業成為一位牧師,但不久便因發現神學並不合他的興趣而離開神學院。1833年,因為陸米斯在耶魯大學的老師、同時也是該校的校長戴先生(Jeremiah Day),極欣賞陸米斯的能力,所以力邀陸米斯回到耶魯大學教書,陸米斯便在這個機緣下在接下來的1833~1836年,轉行為一位耶魯大學學士班的拉丁文、數學與自然哲學的教師兼導師,並且在上課時間之餘由於興趣使然,私下地進行地磁研究和彗星觀察等,與天文和物理有關的研究。

1836年,在俄亥俄州的西櫥學院力邀之下,陸米斯決定到該校擔任數學與自然哲學的教授,並在正式上任之前,獲得了到歐洲向著名物理和數學家們交流的機會,故在到1837年回到美國教書之前,陸米斯到法國巴黎和帕松(Siméon Denis Poisson)等著名的數學及物理學家,學習實驗技巧並協助他們研究。

1837年後,陸米斯回到美國俄亥俄州西櫥學院(Western Reserve College, Ohio State;現已改制為凱斯西儲大學, Case Western Reserve University)的教授教職岡位上,並在該校的校長的協助下,在俄亥俄州設置了陸米斯天文台(Ohio Observer),作為氣象與星象研究之用,這座天文台是美國第二悠久的天文台。陸米斯利用這個天文台,再憑著自己在歐洲學來地一手天文學與物理學研究技術,開始回饋美國的數學、天文、氣象和物理等領域。

科學家發現的問題

1836年12月21日,北美洲的東岸最西南方至紐約市、最東北方至英屬魁北克市,發生了大範圍且長達近22小時的暴雨;陸米斯藉由參閱軍方的氣象紀錄資料,以及向<<紐約年鑑>>(New York State Register)的讀者尋得的氣象紀錄中發現,

現這場暴雨發生後,發生過降雨的地方日均溫居然都驟降了約華氏16度的數值,更讓人感到新奇的是,這個大範圍地區原本都是偏向吹南風,但雨後卻都轉為偏向從北至南吹拂的風向。不太符合在當時的理論中,潮濕的空氣若是由南方吹來的話,應該都轉為溫暖的氣溫且吹南風的預期狀況。

令陸米斯感到詫異的原因在於,倘若1836年12月21日的這場大面積降雨發生時和降雨後的氣溫降低,僅是冬天的氣候以及降雨造成的,那麼不應該會有這麼劇烈的降溫,乃至於伴隨降雨快停止前的降雪出現。並且,從紐約市至英屬加拿大魁北克市這麼大的範圍,都出現這種降雨前後氣溫驟降、風向變成相反的現象,實在讓人感覺不是巧合。所以陸米斯認為雨前後氣溫驟降、風向變成相反的現象,應該彼此間是有所關聯的。

圖 陸米斯發現,在1836年12月21日發生過大面積降雨的紐約至魁北克地區地圖(紅色圈內範圍)。

圖片來源:筆者修改自GOOGLE MAP

科學家的聯想與假設

陸米斯正思索著,這場降雨後令人費解的氣溫變化時,突然聯想到他在調閱這一帶的氣象觀測資料時,有發現到這場大範圍的降雨發生後,風向發生了極大的轉變,變成完全相反的風向 - 幾乎所有發生過降雨的地方,都從原來吹南風的狀態,轉為吹北風的風向。

陸米斯進而聯想到,在氣象學從前的知名學者 - 亞里斯多德、哈雷及哈德利曾經在他們的論文中提及過,冷空氣組成的氣團通常較為沉重而且密度較大,而暖空氣組成的氣團通常較為輕巧、密度較小 ,因此,若兩個氣團發生碰觸的話,密度高的冷空氣團,極有可能會將密度低的暖空氣團,推到離地表較遠的位置。再結合上述以觀察到的,風向在降雨前後發生的變化,陸米斯聯想到,一般來說,從偏北方的位置吹來的氣流,會具有較低的溫度,而從偏南方的位置吹來的氣流,會具有較高的溫度,若兩者朝彼此吹來的話,就有可能發生高密度冷空氣氣團,將低密度暖空氣氣團推到高空上的情況。 

陸米斯進一步又想到了,當溫度降低到水蒸氣的凝結點,空氣中含有的水蒸氣,就很容易會轉變為液態水,而產生起霧、下雪或者降雨的現象。又一般而言,海拔高度越高的環境會具有越低的氣溫,因此,在高空的環境中,空氣中所夾帶有的水蒸氣,是極有機會轉變成液態的雨水,並落至地面上的。

基於以上一連串的聯想,陸米斯假設暴雨形成的原因,是由於來自南方的低密度暖空氣團,被北方的高密度冷空氣團推到上空中,以至於來自南方的海面上、夾帶有諸多水蒸氣的暖空氣團中的水氣轉為液態,所以,才造成了兩個氣團碰撞的大範圍區域,發生長時間的暴雨。

圖 陸米斯在他的論文中,闡述鋒面如何產生的示意圖。左側為從西北方吹來的冷空氣氣流,右側為從東南方吹來的暖空氣氣流;兩種交織在一起的結果,是暖空氣氣流被密度較高的冷空氣頂到較高空的位置,而形成容易造成降雨的鋒面。

圖片來源:<On the Storm Which Was Experienced throughout the United States about the 20th of December, 1836, by Elias Loomis> pp. 159

科學家的驗證方法與結論

陸米斯深知,倘若要證明他的假設與事實相符的話,他必須能蒐集到,在跨郡甚至跨鄰近洲的帶狀大範圍降雨區,有以下3個特點:

這些大範圍區域的暴雨發生後,這個範圍區的氣溫都會比降雨前來得低很多,並且,以這個發生過長時間降雨的區域為分界,都會呈現一邊氣溫高、一邊氣溫低的狀況。

這個大範圍暴雨區的降雨時間,和"一邊高一邊低"的氣溫分布,有相伴相依的存在關係。並且發生過降雨的區域,由於地表理應背冷空氣所佔據,故往後近幾日氣溫都會比未降雨前低。

有了上述的目標陸米斯便調閱了,至西到美國中部南部的奧克拉荷馬州喬克托郡托森堡鎮(Fort Towson, Choctaw County, Oklahoma, the USA),至東到北美洲東北部的英屬新布藍茲維省聖約翰市(City of Saint John, New Brunswick, Canada),1836年12月20~24日(即紐約一帶大範圍降雨的前後幾日)的27個氣象站的氣象資料,確實發現:

發生過暴雨的地區之西側的位置,其日均溫確實都比發生過降雨區域的東側位置來得高,並且發生過暴雨的地區,其日均氣都比降雨前一日低上許多,隨著該地區位於鄰近或遠離早晚溫差程度相異的海岸或內陸區,這些地方的日均溫驟降約華氏9~39度不等。

圖 陸米斯在他的論文中,提及美國中南部至東北部發生大範圍降雨前後,產生的氣溫驟降狀況曲線(左圖),及觀測站所在的經緯度(右圖)。

圖片來源:<On the Storm Which Was Experienced throughout the United States about the 20th of December, 1836, by Elias Loomis> pp. 127, Fig 2 (經筆者編輯在一起)

圖 陸米斯在他的論文中,提及美國中南部至北美洲東北部發生大範圍降雨前後,早上7點、下午2點和晚上9點的氣溫數值表,其中的粗線為分隔降雨前後的時間。氣溫的單位則是採用華氏度數。

圖片來源:<On the Storm Which Was Experienced throughout the United States about the 20th of December, 1836, by Elias Loomis> pp. 131

這段期間發生過大範圍區域暴雨的地方,以西幾乎都是吹南風,或者其他接近由偏向南方的方位吹來的風,而以東的區域則幾乎是吹北風,或者其他接近由偏向北方的方位吹來的風。並且,所有發生過長時間、大範圍暴雨的位置,確實在接下來的一天內,風向都會被較冷的偏北風所取代。

另外,也值得一提的是,這個帶有奇異氣溫與風向的大範圍降雨區,也被陸米斯分析出,在同一個地區的降雨時間會長達6~24小時左右的時間。

圖 陸米斯為研究1836年12月21日發生過大面積降雨,所調閱過12月19~23日之間氣象資料的地區,大致的所在位置(藍色斜線所標示出的區域)地圖,幾乎就是19世紀中葉的美國權領地,加上加拿大的英屬北美洲區域。

圖片來源:www.emersonkent.com/map_archive/north_america_1763.htm

經由上述一連串的分析,陸米斯得到了一個結論 - 這種長時間、大範圍的降雨,是起因於冷熱性質相異的兩股氣流,在大範圍區上碰撞在一起而產生的,並且,這個大範圍暴雨區兩側的風向,會是全相反的。

圖 陸米斯在他1842年出版的論文中,以1836年12月底各地發生暴雨時的風向與冷暖空氣分布,來分析暴雨成因的氣象圖。其中的箭頭方向為風吹送的方向、虛線處為發生大範圍、長時間降雨的位置,從圖中可以發現到,降雨處幾乎都是背風面得位置。

圖片來源:<<Predicting the Weather: Victorians and the Science of Meteorology, KATHARINE ANDERSON>> pp.193

科學家造成的影響

1841年,陸米斯發表了名為<深入探討1836年12月20日,在全美國發生的大範圍降雨>(<On the storm which was experienced throughout the United States about the 20th of December, 1836>)的論文,解釋了他何以從美國西南部一直延伸到紐約等美國東岸的大範圍暴雨紀錄中,發現長時間、大範圍的暴雨起因於冷空氣團與暖空氣團的碰觸,這種降雨現象被後世稱作"(冷鋒)鋒面雨"。這篇論文也是美國氣象學史上,第一篇完整的暴雨紀錄與研究文獻,具有跨時代的代表意義。

1843年,陸米斯以他所發現到的,風向與氣壓、冷熱性質不同的空氣團分布,會對天氣造成影響的理論為基礎,繪製出了幾乎是最早期的氣象圖(Weather chart),這項偉大的創舉,對於氣象學的發展有舉足輕重的影響力,最直接的影響便是讓後世研究颶風和氣旋現象的學者 - 艾斯比(James P. Espy)和瑞菲爾德(William C. Redfield)等人,得以分析出颶風是種熱帶低氣壓氣旋的天氣現象。所以,可以說張圖對於後世發展出氣象預報的方法,有相當重要的貢獻呢!

圖 繪製有風向及鋒面分布的氣象圖。

圖片來源:www.britannica.com/science/front-meteorology