圖片：筆者所指導學生製作天氣瓶的實驗(顏色部分的效果可加入少許幾滴食用色素來加以製作)。
圖片：天氣瓶結晶的近照。
作者：嚴融怡
天氣瓶的創製者是法國的國會律師Pierre Legaux (1748–1827)，但將其固定較為穩定的配方並發揚光 大者則是英國氣象學家Robert Fitzroy (1805–1865)。它的最初名字是預報瓶(pronostic，這個名字 是法文名稱)，後來又有storm glass(風暴瓶)、weather glasses(天氣瓶)、化學天氣瓶(chemical weather glass)與wind glasses(測風瓶)等不同的名稱，其中以storm glass和chemical weather glass是今日廣為人知的名稱。
十八世紀的化學世紀時期，法國接連出現許多重要的化學家，包括拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)、貝托萊(Claude Louis Berthollet)與約瑟夫·路易·給呂薩克 (Joseph Louis Gay-Lussac)等科學家，在化學在巴黎如火如荼發展的同時，有許多科學家本身也是業 餘科學家或是作為科學興趣而投入的各行各業的人士。1779年作為國會律師的Pierre Legaux以封閉玻璃瓶盛裝包含揮發性液體與被溶解固體等物質而製作的 預報瓶(pronostic)，並認為他的新發明能夠成功預測天氣的好壞、大風與降雨或降雪等等。據說他的 科學報告發表在1780年4月的時候，曾準確預報了大風暴。Legaux並未明確描述Pronostic的內含物，也因此關於這個預報瓶的配方在日後曾經有過多次的轉變。
這個預報瓶在日後法國的氣象學界其實並未受到重視，因為不少的科學家認為這項裝置的結晶多寡與型態可能只和玻璃瓶外界溫度的變化有關，但是並沒有辦法準確去表現真實的大氣變化(其實日後在這兩百多年來不少科學家的多次驗證性研究也發現確實如此)。 不過，這個裝置仍舊被英國著名氣象學家Robert Fitzroy(1805-1865)所重視，並且發揚光大。他曾在多次的科學遠航當中帶著天氣瓶去做試驗，其中他最著名的一趟環球科學之旅便是曾率領英國皇家海軍的小獵犬號(成員包括日後著名的生物學家達爾文)，據說在該次旅程當中，便測試了天氣瓶。這位科學家在晚年的生活過得並不愜意，由於他的預測失準，以至於他在原本的氣象學領域當中倍受挫折。而他堅定反對演化論的態度，則讓他和早年曾合作的夥伴達爾文以及達爾文的友人處在交惡的情形。Robert Fitzroy在民族平等權的價值觀念上較當時多數的英國官方人士要先進，他反對殖民主義者對於土地使用權的不合理以及所對原住民的剝削。1843年，他因為過去曾在航海科學方面的成績，而被英國國會任命為紐西蘭 總督。他到任後積極主張讓紐西蘭 毛利人享有與英國移民同等之土地使用權，試圖化解當地日益嚴重的種族衝突，但卻遭致英國當局的強烈反對，甚至因此去職。無論如何，天氣瓶是由於Robert Fitzroy在1825年的歸納統整，因此才廣為大眾所知，甚至加以應用的。也因此時至今日也有不少文獻認為天氣瓶是Robert Fitzroy所發明的。
以下為Robert Fitzroy的歸納 ： 1.如果天氣瓶中的液體透明，表示為晴朗的好天氣。 2.如果液體為雲狀朦朧，表示天空多雲密布並可能降雨。 3.如果液體中有點狀的懸浮固體，則天氣可能會潮濕或大霧。 4.如果液體為雲狀並帶有星狀小型結晶，代表天氣可能會有雷雨。 5.在冬天有陽光的時候，如果液體中有細小星狀結晶，表示將要下雪了。 6.如果有大片的結晶分佈，天氣可能即將轉變為下雨或下雪）。 7.如果底部具有結晶，代表較為低溫寒冷的天氣。 8.如果瓶子頂部有絲狀結晶，則通常為颳風的天氣。
圖片：1863年的天氣瓶配置圖。
在今日，作為天氣瓶最普遍的配方，包括2.5g的硝酸鉀、2.5 g氯化銨、33 mL的蒸餾水、10g的純樟腦 以及40mL的95%乙醇。將配料混合後，再加熱促進其溶解混合，調製均勻之後即可分裝在小型的玻璃瓶當中作為天氣瓶使用。這個配方其實和十八、十九世紀時期的配方已有不同。今日的科學家也已經確認天氣瓶確實只和外界的溫度變化有所關聯，而與其他的大氣現象(如水氣或雲層 的變化)並無關係。溶液內的樟腦在水與乙醇、硝酸鉀、氯化銨的混和溶液中，溶解度會隨著溫度而變 化。溫度降低時，樟腦結晶會形成而析出；而當溫度升高時，樟腦的結晶則溶解。當溫度高於31.4℃時 ，瓶內的結晶會完全溶解消失。當溫度不斷變化，也會不斷干擾結晶的成長大小和結構，加上結晶成長 行為具有高度不可預測性，這便是瓶內晶體具有千變萬化的原因。
而實際上晶體和天氣之間的對應變化也並不穩定，而是較為隨機的情形，因此並不適宜作為天氣預測使用。現代結晶學的研究發現天氣瓶當中的結晶其實都是樟腦的晶體。硝酸鉀、氯化銨其實並未共同生成結晶，但硝酸鉀、氯化銨與水的高極性卻有助於系統內樟腦結晶的成核速度，並使其對於溫度變化更為敏感，同時也有助於結晶型態較為分散而能形成羽毛狀的型態。使晶體較容易觀察也兼具美觀。
天氣瓶時至今日雖然已不具備氣象學的價值。但其實更常出現在自然科學或是化學課程當中，作為補充實驗。筆者曾在小學時期，由自然老師在教導水溶液原理的同時，也補充了天氣瓶的實驗。另外在國中時期理化老師指導飽和溶液和化學平衡原理時也曾舉例過天氣瓶的原理。我們知道當溶質溶解的速率與沉澱速率相等時，便會構成一飽和溶液，且未溶解的固體量與溶質的濃度均不再改變，我們將此情況稱為『處於溶解度平衡』，這一平衡是一種動態平衡。此時如果是在密閉系 統當中改變溫度，便有可能會對飽和溶液的溶液相和沉澱結晶產生影響。而天氣瓶其實正好是讓學生觀察這項改變的有趣裝置。並且也常常是學生所喜歡的實驗。但是需要注意小心的是樟腦的部分，對於有蠶豆症的患者，則必須避免進行這項實驗。
鹽類混合溶液的各項化學變化和性質其實也是十八、十九世紀很多化學家所討論和研究的重點，包括當 時貝托萊對於電解質可逆反應的發現，以及後來勒沙特列所在化學平衡對於外界條件影響下移動方向的 研究以及同離子效應的發現(在難溶性鹽類溶解平衡系統當中，若加入含有和平衡系相同離子的電解質 時，則該難溶鹽類的溶解度會減小)等等，這些都是很具有關鍵性的化學研究。在今日，其實鹽類溶液 所在環境當中的變動繼續深深困擾著土壤化學界、海洋化學界與環境工程學界等等，科學家也早已開始 從純粹化學領域當中所建立的各項原則，開始設法解決自然界複雜環境當中的溶液化學。但一切的一切 還有很長的道路要走。
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