天氣瓶

天氣瓶（chemical weather glass）又稱風暴瓶（storm glass），是一種歐洲曾在18世紀~19世紀時用於天氣預報工具。密閉的玻璃容器中，裝入數種化學物質組成的透明溶液。根據外界溫度、天氣的改變，瓶內會展現出不同型態的結晶，預報天氣的變化。近代已不用作天氣預報工具，而轉變為一種趣味性質的科學裝飾。亦可在內添加彩色顏料，增添不同氛圍。

天氣瓶

表現特徵
天氣瓶中的結晶

19世紀的知名天氣學家羅伯特·菲茨羅伊在他的航海紀錄上，詳細的記述了如何用天氣瓶來預測天氣：

  • 瓶内液体清澈，将会是晴天
  • 瓶内液体朦胧，将会是阴云密布，或许还会有降水
  • 瓶内液体悬浮着大量小点，天气将变得潮湿，也许有大雾
  • 朦胧的液体中悬浮着小的星状结晶，指示着将有雷暴天气
  • 在冬天，若液体中悬浮着小的星状结晶，意味着要下雪了
  • 液体中出现有大羽毛晶体，若是在温暖的时节，天气会转阴，而如果是在冬天，将会下雪。
  • 瓶中有樟脑晶体，预示着要霜冻了
  • 有丝状结晶漂浮在液體表面，意味着要起风了

原理

瓶內結晶的變化，主要是由於溶液內的樟腦在水與乙醇、硝酸鉀、氯化銨混合溶液內的溶解度會隨著溫度變化。溫度降低時，樟腦的結晶析出；溫度升高時，樟腦的結晶溶解。溫度高於31.4℃時，瓶內的結晶會完全溶解消失[1]。而溫度與溫度的變化速度，則會影響結晶的成長大小與結構，加上結晶成長行為的高度不可預測性，這些因素加總起來，造成瓶內晶體型態萬千的美麗變化。

現代研究證實，溫度是影響瓶內樟腦結晶型態的最主要因素[2]；與天氣的對應關係幾乎成隨機分布，無預測價值[3][4]。利用X射线晶体学分析，確認了瓶內的結晶全為樟腦晶體。瓶內的硝酸鉀、氯化銨在一般的氣溫範圍內不會產生結晶。高水溶性的硝酸鉀、氯化銨以及水，這三個高極性物質，可以提升系統內的樟腦結晶成核速度，使其對溫度的變化更敏感，同時也能使結晶的型態成為鬆散美麗的羽毛狀，更容易觀察也更具有觀賞價值。[1][5]

雖然不能用來預報天氣，但天氣瓶隨著外界溫度展現出多變的晶體變化，仍可作為一個美麗的裝飾。也可做為有趣的科學教材，學習溶液的配製與結晶的行為。

製作方式(一個)

將硝酸鉀以及氯化銨溶於水中，樟腦溶於乙醇中，將兩種溶液混和後密封於血清瓶中，之後用超音波震動(35°C)將其溶解後染色(也可用海綿花代替)分裝即完成。

科普觀察重點
  • 減少配方中的乙醇量，可以提升結晶完全溶解的溫度，使高溫夏季也能觀察到晶體。
  • 減少配方中的樟腦量，能使結晶型態更容易出現羽毛狀。
  • 溶液的密度約為0.95g/cm3，而樟腦的密度為0.98g/cm3，兩者相近。因此於溶液中上層形成的雪花狀晶體會緩緩降落。如晶體較小，降落速度慢，看起來就會像是懸浮不動。
  • 溶液的密度會隨氣溫升高而降低，使液面升高。
  • 上層空間的氣體會含有較多低沸點的乙醇蒸氣，而其冷凝時，會因密度最低而浮在最上層，如無擾動即會形成一層薄薄的高濃度乙醇溶液。在這層內形成的樟腦結晶會呈現片狀，與下層的雪花狀、羽毛狀明顯不同。

參考資料
  1. Mitsuya, T., Takahashi, K., & Nagashima, K. (2014). Cyclic growth and dissolution of camphor crystals in quinary, ternary, and binary solutions: A study on crystal behavior in storm glass. Journal of Crystal Growth, 401, 233-237.
  2. Tanaka, Yasuko et al. "Pattern formation of crystals in storm glass" Journal of Crystal Growth 310 (2008): 2668–2672.
  3. Can storm glasses predict the weather? （页面存档备份，存于） from The Straight Dope
  4. 天气预报瓶，真能预报天气？ （页面存档备份，存于），果壳网
  5. 天气瓶：结晶好看，但与天气无关 （页面存档备份，存于），孙亚飞，果殼網

外部連結
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