关于本书

    图书在版编目(CIP)数据

    飞行中的科学(英)克雷格著；杨洁羽译.—杭州：浙江大学出版

    社，2014.1

    书名原文： Inflight Science: A Guide to the World from Your Airplane

    Window

    ISBN 978-7-308-12671-7

    Ⅰ.①飞… Ⅱ.①克… ②杨… Ⅲ.①科学知识—普及读物 Ⅳ.①Z228

    中国版本图书馆CIP数据核字(2011)第302634号

    Copyright.2011 by Icon Books Ltd.

    浙江省版权局著作权合同登记图字：11-2013-126

    飞行中的科学

    [英]克雷格 著 杨洁羽 译

    责任编辑 王长刚

    封面设计 杭州林智广告有限公司

    出版发行 浙江大学出版社

    (杭州市天目山路148号 邮政编码：310007)

    (网址：http:www.zjupress.com)

    排 版 杭州林智广告有限公司

    印 刷 浙江印刷集团有限公司

    开 本 880mm×1230mm 132

    印 张 6.75

    字 数 119千

    版 印 次 2014年1月第1版 2014年1月第1次印刷

    书 号 ISBN 978-7-308-12671-7定 价 27.00元

    版权所有 翻印必究 印装差错 负责调换

    浙江大学出版社发行部邮购电话(0571)88925591第一章 在机场航站楼里的无聊

    你坐在航站楼里面等待航班的起飞。各种情绪混杂在一起：有无

    聊、激动，也有恐惧，而无聊总是胜出。飞行确实可能是抵达较远目的

    地的最快方式，但也必须付出长时间的等待。

    哪怕你是一个经常出门的人，飞行还是会带来一些特别的感受。停

    机坪的煤油气味，或是飞机引擎的轰鸣声往往会使得人们莫名兴奋。些

    许恐惧也是难以避免的——不管你多么喜欢飞行，停留在离地约八千米

    高的一个由金属、塑料制成的管状物中都是一件不自然的事情。只有科

    学和技术能够保证你的生命，让你存活。

    假如你不爱飞行(我就不爱)，一个小小的科学统计数据可能会让

    你安心一点。一年中，平均一亿二千五百万名乘客中只有一人丧生于空

    难。这比火车旅行要安全三倍——试想你可曾担心过坐火车会出事？而

    汽车事故，同等风险比率是一比一千万——约是飞行危险度的十二倍。

    比起在飞机上度过的六小时，你在上班场所的六小时所可能遭遇事故的

    风险要更大。总之，要让你宽心的统计数据也就如此了——不管怎样，飞行就是最安全的。

    我们这本书的重点主要放在飞机飞行过程中的见闻、体验所涉及的

    科学，但在航站楼里确实会存在等待的无聊。你只能在免税商店逛逛或

    者喝个咖啡。所以，在起飞之前，我们还是简短说几句在地面你可能还

    会遇到的一些科技现象吧。第一章 在机场一分为二的机场

    机场对于陆侧(非航服务区)和空侧(航空服务区)的划分是很严

    格的。你从一个区域进入另一个区域，尤其是进行国际间飞行的时候，必须经过一个技术障碍，接受身份核查以及检查是否携带了危险物品。

    如果可以的话，他们还会在你经过的时候顺便测量你的体重(在航空的

    早期发展阶段就是这样做的)。这是因为飞机降落对于重量颇为敏感，航空公司需要根据平均体重来估算乘客们累积的总重量。

    但靠平均重量做估计也会带来问题，至少曾经出现过一次这样的情

    况。一架飞机从德国某个机场起飞，脱离跑道的时候有些困难，最终才

    可谓是“爬”上了天空。后来大家才意识到，之前这个城市举办了一场钱

    币展销会。这趟航班的很多乘客都是钱币商人，袋子里都塞满了新入手

    的硬币。他们之所以随身携带，是因为不想冒险，怕托运丢失掉新买的

    好东西。就是这些未曾预料的些许增重累计在一起使得乘客重量明显高

    过预期。加上飞机本身的重量，飞行员没能预料到飞行需要承受那么多

    的负重，所以才会出现起飞时的紧张场面。第一章 在机场行李过检

    你遇到的第一个有趣的技术应该是安全扫描装置。你把随身行李放

    在传送带上，接受一个强大的X射线扫描仪检验。“X射线”这个科技名

    词并非来自于某个特别的科学现象，而仅仅是发现者威廉·伦琴

    (Wilhelm Roentgen)第一次意识到这种射线可以穿透实心的固体后觉

    得它神秘不可知而给它取的名字(伦琴的原话是X-Strahlen)。后来，它被官方定名为伦琴射线，可人们还是更喜欢伦琴之前给取的昵称，叫

    着叫着这个名字就保留下来了。

    事实上，X射线并非什么神秘之物，它仅仅是一种光而已，只不过

    这种颜色的光远在人类肉眼可识别的光谱范围之外。光是一种电磁波，它是电和磁发生某种特殊作用后的产物，并以跨度范围很大的“色彩”的

    形式呈现。除了那些彩色的光之外，无线电波、微波、红外线、紫外

    线、X射线、伽马射线都属于电磁波的一种，它们有着各种不同的能量

    (见图1)。现在人们已经知道光是由光子这种微粒组成的(之后我们

    会谈到光子)。X射线中光子的能量远远高于其他可见光。如果我们把

    光想象成一种波的话，那么X射线的波长要短于可见光的波长(波长指

    相邻两个波峰或波谷之间的距离)。图1 电磁光谱：可见光构成了中间的一小段

    当普通光照射在行李箱这样的物体上时，光束中的光子被吸收，使

    它不能完全穿透物体。这是因为光子中的能量被那些构成行李箱的粒子

    吸收了。我们身边的所有物体都是由原子组成的，而每个原子有一个非

    常小的核心部分——原子核，它占了原子质量的99%以上，环绕在原子

    核周围的是质量较小的电子。当光子遇上电子时，光子中的能量会被电

    子吸收。吸收了能量的电子将会更高效地运动。

    电子吸收或释放光子能量的过程被称为量子跃迁(quantum

    leap)，现在这个术语被用来形容重大的、突破性的改变，虽然真正的

    量子跃迁完全是一种细微的变化。

    电子一旦吸收光子中的能量，就从低能级跳到高能级，就像跳台阶

    一样。不久之后，富余的能量又重新以新光子的形式被释放出来，电子

    失去能量后又回到低能级。我们不清楚光子会朝哪个方向被电子射出

    来，不过总有一些光子能被我们的眼睛捕捉到。正是因为有了这些被电

    子释放出来的光子，我们才能看见周围的物体。

    X射线也是由光子组成的，与其他的光一样，它们的光速是每秒

    300000千米，不过X射线中光子的能量远远大于普通光线中的光子，这

    使它能够迅速突破物体原子中的电子层，减少与电子的相互作用。这意

    味着X射线可以穿透许多能阻挡普通光线的物体。

    X射线穿透物体时会破坏其中的分子(原子聚合在一起形成分

    子)。人体细胞中含有大量的DNA分子，它们携带着引导生命机能运作

    的指令。如果细胞中的DNA分子或是其他重要的化学物质被X射线损坏

    后，细胞就会病变，大大提高患癌症的风险。因此，需谨慎使用医用X

    射线，它通常都被控制在最小剂量。在20世纪60年代之前，人们并没有

    意识到X射线的危险，它甚至在鞋店里被使用，通过X射线装置，你能

    看见自己的脚趾在鞋子里扭动。对于无生命的物体来说，这样的损害就显得无关紧要了(不过，X

    光会使胶卷产生灰雾)，因此用于扫描行李的X射线的强度比大多数医

    用X射线要大得多。那些你在机场看到的巨大的扫描设备使用的都是宽

    幅X射线，其中某些X射线的穿透能力要比另一些强。X射线扫过你的行

    李及其中的物品后，它就会到达检测器，检测器的工作原理类似于相

    机。检测器中有前后两套传感器，由一块金属板隔开。强度较小的X射

    线被挡在金属板之外，只能被前面的传感器检测到，但是强度较大的X

    射线能够穿透金属板，因此，较强的X射线能被前后两个传感器一起发

    现。

    由于使用两种强度不同的X射线，操作屏幕上会显示出两幅色彩不

    同的影像。因此，操作者能够分辨出植物、塑料或爆炸物之类的“软”物

    品，它们在屏幕上呈现出橘色，而那些较难穿透的物品(只有强度更大

    的X射线才能穿透)则显示为绿色。最后，图像被放大以显示物体的更

    多细节，使操作者在扫视间就能判断出行李中不同种类的物品。第一章 在机场检测空气

    有时你的行李也会接受嗅探器的检测，嗅探器通过分辨气味来排查

    爆炸物。和许多物质一样，爆炸物容易挥发。爆炸物中的化学分子会在

    室温下挥发，飘浮在空气中。固体和液体中的分子总是处于不断运动

    中，有些分子能量大些，运动得也更剧烈，最后会散逸出去。无论是玻

    璃杯里醉人的酒气还是烤面包令人垂涎的香味，都是通过这些摆脱了母

    体的分子让我们闻到了物体的气味。这也是为什么即使在室温下，一池

    水最终也会蒸发完。

    有时这种嗅探器会是一只狗。可以说，狗是所有先进技术中最古老

    的一项，而且到目前它们也还在被人们使用。也许你觉得把狗称作“技

    术”是一种奇怪的说法，狗是一种活生生的动物。但是在人类有意识地

    培育下，狗成为了一个具有特定功能的独特品种，它们是最早的能行使

    自动化功能的“工具”。狗能自主完成各项任务，相比之下，与之同样古

    老的工具——斧子——还得借助人力才能开展工作。现在狗已经可以为

    人类提供多种服务，从导盲、放牧到通过它们灵敏的嗅觉排查爆炸物

    等。

    当然，人类在最初研发这项了不起的“技术”时，并无意将它们培养

    成这样的“多面手”。这一切很可能起源于某个意外事件。那时，狼群还

    在人类聚居地附近游荡。狼虽不像我们印象中那样作恶多端——比如，实际上它们很少袭击人类——但是这些食腐的动物们会时不时光顾，偷

    走死去的猎物，于是，我们恼火的祖先决定想些办法阻止它们。

    不难想象，最初是经历了怎样试探性的接触，我们的祖先才开始不

    再与狼为敌。也许是在某个寒冷的冬天，一只狼悄悄地靠近火堆取暖，突然，其他猎食者闯入人类的营地，它一跃而起，和人类并肩作战，作

    为奖励，它得到了一块肉。也许，从那一刻起，在自然选择的作用下，改变就开始了。时间流逝，狼的幼仔出生，幼仔温顺听话，更符合人们对“畜”的要求，它们也更愿意和人待在一起，被人喂养，受人关爱。几

    百年后，就有了狗。

    这个自然过程就如同基因工程中的转基因作物一般。自然界中本没

    有狗。它们是人类开发出来的“工具”，就像桌子一样，它们的“自然”状

    态是大自然中的一块块木头。毫无疑问，狗是我们祖先创造的最了不起

    的东西之一。与狗相比，巨石阵简直不值一提，它就是一个大玩具。好

    吧，我们不否认巨石阵给某些人带来了天象讯息，而且也很壮观，但

    是，它总没有被人们一直使用好几千年吧。狗是一项石器时代的“技

    术”，比巨石阵早35000年，而且直到今天，它们还活跃在世界各地的机

    场中。

    有时安保队也会使用电子嗅探器，它能通过一系列步骤分解空气中

    的化学物质，气相色谱分析是最常用的手段。空气随着某种气体进入试

    管，它们将流经许多物质，空气分子与物质发生反应。空气中不同的分

    子会附着在管内的不同物质上。气体中不同的成分被分离出来，因此，仪器很快就能列出一张清单，显示受测气体的成分。在图表上，不同的

    物质会以其独特的形态显现出来。第一章 在机场探测器中的奥秘

    行李过检时，你也得穿过一道令人生畏的拱门，它总是会给你带来

    焦虑和犯罪感。这些拱门其实是金属探测仪，它们和田野里寻宝人手上

    拿的那个东西差不多，只不过机场的这些大家伙们寻的是铁。虽然有不

    同的具体技术，但是这些拱门有着基本相同的工作原理——电磁感应。

    如果你的电动牙刷是通过插在一个无金属接头的塑料基座上充电的话，那么，你家里就已经有一个以电磁感应方式工作的装置了。

    电磁感应是维多利亚时期的科学家迈克尔·法拉第(Michael

    Faraday)的一个重要发现。他发现将金属导线通电，或改变电流的大

    小，就会有磁场产生。同样的，移动或改变磁场，就会产生电。这就是

    电动机和发电机的工作原理。

    在电动牙刷中，充电器中的线圈输送出变化的磁场，牙刷的线路内

    就会有电流产生。“电磁”指的是电的和或磁的——电和磁是导致同一现

    象的两个部分。而这里的“场”指的不是一大片草场，而是力场。“场”这

    个概念是法拉第根据想象得出来的。他发现铁屑在一张放置了磁铁的纸

    上排列成一些曲线，这些曲线组成的图形类似于磁力作用下地图的形

    状。法拉第设想在磁铁周围的空间里有无数条这样的曲线。

    在磁场里移动金属导线，它将与曲线发生切割，就像小孩用手拂过

    一片金属栅栏一样，这样的切割会将磁力转化为电力。在电线附近移动

    磁铁和用电线切割磁场，两者效果是一样的——它们都能使电线和磁场

    相互运动，从而导致电线中带电电子的流动。这就是所有发电机的工作

    原理。

    在牙刷充电器中，没有东西被移动，但是电流的方向一直在改变

    (称之为交流电)，导致磁力线一会儿被推出去一会儿又被拉回来。当

    金属导线的位置与磁力线相交时，磁力线被切割，就像发电机中运动的

    导线那样。充电器中的电线与牙刷中的电线并不是连接在一起的。而是变化中的电场产生的磁场将线圈中的能量输送给牙刷。与之类似的装置

    被称为变压器，人们用它来降低电压(如你家里的充电器，还有手机和

    一些电子产品的电源中都安装了变压器)。变压是通过大小不同的一些

    线圈来完成的，由于电磁感应，某个线圈中变化的电流能在另一个线圈

    中产生感应电流(参见124页了解电压的概念)。

    金属探测拱门中有好几个线圈。线圈中的电流能使附近金属物体的

    周围产生磁场，而这个磁场反过来又会使检测线圈中产生感应电流。这

    些金属物品有可能是你口袋中的硬币、皮带扣，或是你夹克中的武器。

    近几年来，由于出现过把危险品放在鞋子里的案例，现在过检时，你会

    时常被要求脱下鞋子，接受X射线检查，因为探测器没法检测与地面齐

    高的物体。不过有些先进的探测器能够检测鞋子，这至少让整个安检过

    程不那么烦人。图2 变压器通过电磁感应改变电压第一章 在机场人体扫描

    现在，越来越多的乘客会在机场遭遇人体扫描。这些扫描仪的功能

    类似于脱衣搜身，在扫描过程中，贴身或体内藏匿的任何物品都将一览

    无余，只是，人体扫描的时间更短，只需短短几秒，不会让人太过反

    感。有人质疑这种扫描会让受检者看起来就像光着身子，毫无隐私可

    言，但实际上，这样的说法有些夸张了。扫描的成像相对扭曲难辨——

    它更类似于人体图像的计算机模型，而不是逼真的裸体。

    人体扫描仪可分为两大类，它们使用的都是不可见光。有些使用高

    能量(波长短)波，有些则为X射线。无论是哪类扫描仪，都有人担心

    它们是否会对健康不利。高能量波扫描仪的波长频率与微波类似，虽然

    没有证据显示该波会造成健康隐患，但是，还是有人担心扫描时体内产

    生的热量将对身体造成负面影响。

    众所周知，X射线于健康不利，但是，人体扫描仪与传统医疗中使

    用的X射线的工作原理截然不同。人体扫描仪采用的是一种称为反向散

    射X射线(backscatter X—ray)的流程。在扫描时，X射线不会穿透你的

    身体，它穿透你的衣服却被你的身体反弹回来，到达环绕在你四周的探

    测器。这些X射线的辐射量极其小，相当于人们日常生活中每小时所遭

    受的辐射的五十分之一(在之后的章节中我们会谈到这种自然辐射)。

    总之，人体扫描的健康风险极小，并且，比起过于亲密、令人尴尬的搜

    身，它给人的感觉要好多了。第一章 在机场你认为你是谁？

    现在，我们了解到你是安全的，但是我们并不能就此确认你的身

    份。在乘坐国际航班时，安检后，你会通过边境管制。在这里，越来越

    多涉及生物统计的技术被运用于个人身份的确认。很多护照内都含有一

    个小磁条来储存个人生物辨识数据。在旅行时，这些简单的检验方法会

    被用于验明护照上的是否就是你本人。

    尽管从理论上来看，你身体的任何一个部位都可以用作生物数据辨

    识(如耳朵的大小)，但在实际操作中，多数系统都会涉及面部、指纹

    和虹膜识别技术中的一项或几项。常见于侦探片中的视网膜扫描可以获

    取眼球内部的图像，不过，它却并不被用于机场安检，因为整个过程会

    让乘客感到害怕和唐突。估计只有相当少的一部分人愿意让激光刺激他

    们的眼睛吧。

    最常见的身份识别还是指纹认证，尽管它带来的和犯罪有关的联系

    会让人尴尬和不适。最早使用指纹识别技术的人是威廉·赫歇尔

    (William Herschel)，他与之同名的祖父是一位天文学家。19世纪50年

    代，赫歇尔先生在印度工作时用它来鉴别法律文件。到19世纪90年代，指纹识别技术开始用于刑侦办案，警察局也着手建立指纹档案馆并日益

    完善之，这样的指纹分类使罪犯鉴定变得更加容易。不过从一开始，指

    纹匹配便是一项单调沉闷的活儿，无论是在犯罪现场，还是在图书馆的

    入口。

    指纹识别在生物数据辨识方面的运用则要简单得多，原因在于无需

    大量搜索数据库，而需要做的仅仅是将护照内所含的生物辨识数据与当

    时的检测数据进行比较。指纹识别技术运用一系列检测方法，从简单的

    扫描到利用人体电流感应进行工作的电容传感器(该技术也用于苹果手

    机触摸屏)来识别手指末端皮肤所形成的不同的凹凸纹路。指纹识别后

    的成像并不会保存下来——纹路中最重要的局部特征将得到识别并与数据库资料进行对比。

    指纹识别有两个问题。第一个问题在于所采集到的成像根据受到手

    指按压力度和其在感应器上按压位置的影响，纹路形状会因不同的力度

    和位置发生变化。第二个问题是这项技术会给人带来和犯罪有关的联

    想。人们在接受指纹识别后通常会产生一种不适的犯罪联想。与之相反

    的是，虹膜识别就绝不会带来这样负面的联想了。

    虹膜是分布在瞳孔周围的小色块，如果仔细观察，能看到精细的线

    条从中心发散开来，组成一个精致复杂的图形，类似于车轮的辐条。这

    个独一无二的图形能被摄像头捕捉，然后有效地与护照中的数据相匹

    配，整个采集过程不会受到类似眼镜这样透明物质的干扰。况且，它也

    不会让人直接联想到破案装置。

    三种识别技术中，面部识别是最理想的，因为它可以进行远距离识

    别，并不需要受检者在监测点停下来按指纹或接受虹膜成像。不过，这

    项技术还没有达到足够可靠的程度而成为唯一的检测方法。面部识别适

    合在人流密集的地方使用(只是人们的脸部必须能分辨得出)，且对于

    安检来说，它是最实用不过了，每当乘客们停下来与工作人员交谈时，它便开始工作，而乘客们却毫无察觉。

    面部识别有很多种——识别面部主要特征的位置，给脸型来一个

    3D扫描，或是像指纹识别一样分析皮肤的肌理——不过任何过程都会

    受到可变因素的影响，比如，受检者新蓄了胡须，甚至是，表情有了明

    显的改变。面部识别还有待发展，不过它已经成为了一种得力的辅助检

    测方式，随着技术的完善，它很可能会成为最主要的身份识别方式。无

    论接受与否，你的脸道出了你的种种。第一章 在机场迷信的根源

    当你知道了在几号登机口登机后，按照惯例，每个登机口都会以数

    字标明，而你也通常会发现13号登机口难觅其踪。尽管很少会有人真的

    患有13恐惧症(triskaidekaphobia)——一种对于数字13毫无原因的恐惧

    ——但是航空公司和机场还是不遗余力地避免它的出现，因为直到现

    在，13还是被看成是一个不吉利的数字。

    迷信的根源在于人类对于事物偶发性的认知，而我们的大脑结构不

    擅长处理概率。这一点，从人们对于一系列群发性事件的态度中便可窥

    知一二。设想一下，每天在各处发生的随机事件不计其数，大到传染病

    的爆发，小到有人跌倒。这些随机事件的分布如何？我们本能上以为它

    们是均匀分布的。但事实上，这大错特错。

    试想你将一小罐钢珠打翻在光滑平整的地面上。当钢珠静止时，若

    发现它们均匀地分布在地面上，彼此之间距离相等时，你会作何感想

    呢？你一定会认为是外力或某些装置使其如此——肯定是地板下的磁铁

    或是其他的小伎俩在捣鬼。自然状态下钢珠的分布是：某些区域小钢珠

    分布会密集些，而某些区域则会稀疏些。这样的分布便称之为群聚

    (cluster)。

    硬币群聚

    你手头也许没有一小罐钢珠，即便有，如果你把钢珠滚得满地都

    是，警察就要找你麻烦了。不过，类似的实验效果可以通过一把硬币来

    实现，不过最好还是回家后再做这个实验吧。握一些硬币在手里，使它

    们与腰齐高，然后松开拳头，让硬币坠落。理论上来说，硬币会完美地

    平均散落，但是现实中，硬币群聚分布的可能性还是相当高的。同样的原理也适用于现实世界任何事件的无序分布。如果某地许多

    村民家的牛都害了病，人们便会习惯性地假设一定是有什么原因导致牛

    集中发病的。在过去，当地的巫师有可能会成为被指责的对象。在今

    天，非传染性疾病的群发则往往归咎于手机信号发射塔或是核电站(附

    近很有可能也有酒吧和教堂，但是他们却很少会成为替罪羊)。

    如果这些疾病来得莫名其妙，我们大致上认为它们就是一起群聚事

    件；但是，人们总是倾向于在身边找原因，尤其是当周围有某些引起人

    们焦虑的因素时，那么，它们则最容易成为替罪羊。不是所有的群聚现

    象都是毫无原因的——比方说，石棉工厂附近有一些人患上了石棉肺

    病。但是，我们也不能断言，石棉工厂就是使人致病的凶手。得通过有

    效的统计手段来验证两者的因果关系，才能下定论。

    人们提出众多假设来解释对数字13的恐惧：最后的晚餐中出现的犹

    大是耶稣的第13位门徒；黄道带中有12个星座，而12之后的数字便是

    13。但事实上，能让这些理论自圆其说的证据是少之又少。情况更可能

    是，数字13与一系列不祥之事间的联系是再平常不过的事了，并非有什

    么特殊的关联。情况也许是，某农夫家的母猪生了13只小猪，而其后，这位农夫的健康状况就每况愈下了。同样出于偶然，有人在某个月的13

    号去世了。随着这些巧合的积少成多，13也逐渐为人们所嫌憎。

    虽然对于13的恐惧实属无稽之谈，但机场与航空公司也绝不会给它

    存在的机会，让乘客们不安，所以通常都没有13号航班或13号登机口。

    希思罗机场的4号航站楼更是将这种避嫌做到了极致。有时，当13号登

    机口缺失时，人们就会倾向于认为14号登机口是不吉利的，因为毕竟它

    才是真正的13号登机口。为了避免这样的担忧，在4号航站楼中，12号

    登机口位于它的一端，而14号登机口则位于另一端。由于你根本无法看

    见这两个登机口并肩而列，所以13号登机口的缺失并不显眼，结果是，人人都放心地使用14号登机口了。第二章 进入天空飞机的基本构成

    无论你被分配到哪个登机口，都会很快被送入机舱，在自己的位置

    坐下(但愿如此吧)。现在，你有机会好好地观察一下这个飞行器，了

    解一下它的各个细节了。我们见惯了飞机，常常忘了现代客机是多么了

    不起的一项科技成就。试想一下，若能回到1903年，你和莱特兄弟

    (Wright Brothers)一起乘坐着“小猫头鹰号”(Kitty Hawk)。那架小型

    的莱特飞行器，重量还不足300千克(和一台高性能摩托车的重量差不

    多)，双翼由帆布蒙覆，翼展约为12米。相比之下，波音747重达约175

    吨(这还是在没有乘客和行李的情况下)，翼展超过60米，约是莱特兄

    弟首次试飞用的飞行器37米翼展的2倍。

    大体上来说，所有飞机的结构都差不多。有些是单层的，有些是双

    层的，通常有2～4个发动机，这些发动机本质上也大同小异。沿着几近

    椭圆形的管道(机身)往里是乘客们和货物待的地方，机身的头部是圆

    的，以减小风的阻力。协助飞机上升的机翼位于机身中段(之后会谈

    到)，其某些部分可以活动以达到操控飞机的目的。飞机尾部的水平尾

    翼和垂直尾翼能确保飞机在飞行中保持平稳。尾翼的某些翼面是可以操

    控的，从而调整飞行的方向。

    机身的下面是起落架——它由一些轮子组成，飞机不在空中飞行时

    它就派上用场了。

    在飞行时，这些轮子收起，让机身线条更符合空气动力学。和普通

    的道路交通工具相比，飞机上轮子的数量就多得多了。以波音747为

    例，它的起落架有5组共18个轮子。不过，千万别忘了，当飞机满载

    时，这些轮胎的承重将高达400吨；在降落时，它们会以每小时150码左

    右(约每小时240千米)的速度接触地面。第二章 进入天空给飞机加油

    无论是在机场的候机厅还是机舱里，你都可能看到有加油车在为飞

    机加油。航空燃料是煤油的一种，它的气味独特，登机后，很容易就能

    在机舱中闻到它的气味。和柴油或汽油一样，航空燃料也是一种碳氢化

    合物的混合物。这是一种从含有碳元素和氢元素的原油中提炼出来的烃

    类混合物，它的优点是能充分燃烧，其燃烧时所放出的热量相当可观。

    较之汽车使用的汽油或柴油，航空燃料的分子更大，也更不易挥发。

    为了让你更好地感受我们正在讨论的这类化学物质，我们来认识一

    下辛烷(octane)。和所有的分子一样，辛烷由许许多多的原子构成，原子中的带电粒子相互作用使它们紧密地聚合在一起。如果你能亲眼看

    到一个辛烷分子，你会发现它的分子结构呈长条形：8个碳原子附带着

    18个氢原子。通常，我们对“辛烷”这个名字的了解来自于描述汽油等级

    的一个术语“高辛烷值”(high octane)。高辛烷值和燃料中辛烷的含量

    其实没有关系，它指的是与标准的含辛烷燃料相比，某燃料抗爆震

    (anti—knocking)的能力(爆震是指引擎燃烧过程中产生的异常燃烧

    现象)。

    对于航空产业来说，燃料油的益处举不胜举。飞机操控的关键之一

    是重量，而单位重量的航空燃料可释放出巨大的能量。要了解这一点，只要看看航空燃料和电池有什么不同就好了。假设我们正在使用高技术

    含量的电脑电池，将近1吨这样的电池才能释放出和10千克航空燃料等

    值的热量。这也是为什么我们在短时间内不会看到有充电飞机。

    航空燃料极好地压缩了能量，它每千克产生的能量是等量三硝基甲

    苯(TNT)爆炸时的15倍。这听起来似乎有些令人难以置信。TNT之所

    以可以成为一种炸药，并不是因为它贮存了巨大的能量，而是它能在极

    短时间内迅速燃烧。虽然一支TNT爆炸时产生的能量远远小于同等质量

    的航空燃料，但是这个过程却是在短短的一瞬间完成的。当TNT被引爆时，释放出大量的热能会同时产生高温高压气体，正是这些高温高压气

    体导致了爆炸性的破坏。

    和道路交通运输或电力发电不同，飞机很难不依赖石油，转而采用

    一种更加环保的能源，即便是在将来可能也会如此。作为最简单的化学

    元素之一，氢提供了一种可能性。氢气本身并不能成为一种能源，因为

    在你使用它之前，必须得先把它制造出来。不过，氢能提供一种优于石

    油的能源转换新途径，因为当它燃烧时，唯一的排放物只有水蒸气。

    在电能充足的条件下，只用水就可以制造出氢气。只要电能产自清

    洁能源，氢气自然就是绿色燃料了。比起航空燃料，每千克氢气储存的

    能量更多——差不多是航空燃料的3倍，这应该是这种简单气体最大的

    优点了吧。不过也有一个问题，氢气很占地方。它也许不如石油重，但

    是作为一种压缩气体，氢气所占的空间却要比石油高出6倍。对于一架

    已经塞得满满当当的飞机来说，要携带氢气是难上加难啊。

    也许，当石油越来越少，人们会将之保留起来专门留作飞行之用，即使到了万不得已的地步，我们还掌握着费—托法(Fisher—Tropsch

    process)，它能把煤转化成石油。这门技术是第二次世界大战时在德国

    发展起来的，当时的德军被切断了石油供给。这项技术十分重要，因为

    就拿美国来说，它拥有的煤还能用上几百年，如果石油出现短缺，煤就

    可以派上用场了。

    到目前为止，这项技术还没有投入使用。部分原因是它会造成污

    染，还需要进一步完善以减少碳的排放量。另一个原因是，这样的工厂

    造价很高——虽然一旦建立起来，生产出的每桶石油价格仅为50美元左

    右，远远低于2005—2009年间石油的平均售价。

    我们总是能听到关于飞行的负面说法，说它的碳排放是多么多么

    大。这是因为二氧化碳是温室气体，会导致全球变暖。但是别忘了，就

    碳本身而言，它并不是一种有害的物质。这个简单的物质组成了生命最

    基本的要素。碳非常容易与其他元素结合，组成长链条的分子——没有碳的这一性质，就没有蛋白质、DNA和其他复杂的分子，而正是它们让

    生命的诞生有了可能。没有碳，就没有人类。

    不过就算这样，二氧化碳是温室气体的事实还是无法否认的。不

    过，温室效应难道就没有一丁点儿好处吗？真的是这样的吗？第二章 进入天空温室效应好的一面

    总是有人告诉我们，温室效应是多么可怕。实际上，我们每天都会

    听到要减少二氧化碳排放的呼声，皆因二氧化碳是温室气体，会导致全

    球变暖。变暖是不假——如今的大气层中的确含有太多二氧化碳了——

    不过，我们也不能就此认定二氧化碳是个坏东西，是它让我们活着。

    图3 温室效应:温室气体的作用类似于单向反射的镜面

    在温室效应中，二氧化碳和水蒸气、甲烷这样的温室气体一道起到

    了单向反射镜的作用。大部分太阳的辐射都能到达地面，地表在接受了

    太阳能以后，以红外线的形式再向外辐射，红外线的能量低于来自太阳

    的可见光，向外辐射的能量一部分会被大气层中的二氧化碳分子吸收。

    几乎是在同时，二氧化碳分子重新释放出能量。这其中的一部分能量会

    回到宇宙中去，而剩下的则全部返回地面，使地表温度升高。

    金星就是一个温室效应泛滥的星球，大气层中二氧化碳的含量高达

    97%。在这里，平均气温为480摄氏度，最高气温可以升至600摄氏度，这使金星成为太阳系中最热的星球。

    在人类还没有开始大量地向大气层中排放二氧化碳之前，地球上的

    温室效应维持在一个正常的水平。如果离开了温室效应，地球上的平均

    气温很可能会跌至零下18摄氏度，比当前的实际气温低了30多度呢。地

    球将无比寒冷，而生命也将不复存在。如果离开了温室效应，地球上唯

    一有可能存在生命的地方也许只有海底的地热出口周围了。第二章 进入天空绿色飞行

    我们无法逃避这样一个事实，在所有出行工具中，飞机的碳排放量

    最大——尽管温室气体也有益处，但我们实在不需要更多了。拿一趟从

    欧洲至美国的长途飞行来说，每位乘客将排放2.5吨左右的二氧化碳，这相当于一辆普通汽车行驶15000千米所产生的碳排放量。如果你乘坐

    的是商务舱，你的碳排放量会更大，将有4吨之多。对于头等舱的乘客

    来说，则能达到5吨(这是因为比起普通舱的乘客来说，他们的座位所

    占的空间更大)。

    如果你想做点什么事来抵消飞行中释放的温室气体，那就来了解一

    下碳补偿计划吧。碳补偿计划涵盖了可再生能源的建设，如风力发电

    机、潮汐发电机，对于那些目前还在使用非清洁能源的地区来说，这是

    最需要不过的了。这远比植树来得更加有效。从保持生物多样性的角度

    来说，植树毫无疑问是十分有意义的，但实际上，树木吸收碳的过程十

    分缓慢——我们需要的是快速地减少碳，而不是花上一百年来等待它的

    效果——而且很遗憾的是，树木通常也会枯死，当它们死亡时，则开始

    释放二氧化碳，而不是吸收大气中的碳。第二章 进入天空让飞机动起来

    在经历了看似漫长的等待之后，飞机终于要动了。飞机驶离停机

    位，然后滑行到了跑道的尽头。和汽车不同的是，飞机的轮子是没有动

    力的，需要靠飞机发动机产生的推力在地面上移动。当飞机还没上天之

    前，靠发动机来推动飞机似乎有些浪费而且效率也不高，尤其是在掉头

    时。所以，在飞机驶离航站楼时，需要飞机拖车(有时也叫牵引拖车)

    来帮忙。

    通常，这些笨重的、低调的车辆是用来移动那些引擎处于关闭状态

    的飞机，但它们决没有你想象的那么厉害。波音747的拖车一般有200～

    300的马力(horsepower)——还比不上一辆高性能的汽车。只有谈到不

    同的交通工具时，我们才会对马力这个单位有更深的印象。马力是用来

    测量动力的，它是由苏格兰工程师詹姆士·瓦特(James Watt)提出的。

    人们习惯于互换地使用“动力”(power)和“能量”(energy)这两个

    词。如果我们说某人有很多能量(energy)，我们指的是他很有能力，能够把事情做好；而当我们说某人很强大(powerful)的时候，他则具

    有让一切可能变为现实的能力。不过在科学领域，这两个词有更精准的

    含义。能量(energy)指的是做功的能力，它使物体开始工作。动力

    (power)指的是做功(或是提供能量)的速率——它意味着每秒做功

    的总量。

    我们通常用瓦特(watts)来评估动力，它是以詹姆斯·瓦特的名字

    命名的——你也许有一个100瓦的灯泡，它每秒会消耗100单位的能量

    (焦耳)，或是有一个2千瓦(2000瓦特)的烧水壶——马力仅仅只是

    一个替用的单位。最初当瓦特开始设想出马力时，他正试图找到一种方

    法，将蒸汽机功率以马干活的速率折算出来。他测算出矿厂每一次的轮

    班期间一匹马的平均工作量，然后主观地将这个工作量再加了一倍，就

    换算成了马力。1马力相当于750瓦，或是34千瓦。所以，飞机拖车并没有令人吃惊的大功率(一辆大型的货车多半会

    有它两倍的马力)，不过，它们很重，有将近50吨了。当这些笨重的家

    伙推动飞机轮子的时候，这意味着拖车能产生巨大的牵引力，而且转矩

    也很大，这样的扭转力让轮子转动，飞机就开始慢速移动了。总之，拖

    车能轻而易举地就使几百吨的飞机动起来。

    理论上来说，飞机是可以利用反向推力驶离航站楼的。一个简单的

    手段就可以实现，将导流装置放置于飞机引擎后，这会产生强劲的气流

    推动飞机的前身。通常，反推力都用在飞机着陆时，以帮助其减速——

    当飞机触地时，你能听见引擎突然的喘振，这时，反推力就开始工作

    了。但是，当飞机距离航站楼很近时，这个方法就不适用了。引擎产生

    的强大气流很可能会卷起地面上的杂物，猛烈地撞击到建筑物的玻璃，这也是机场为什么会转而使用拖车的原因了。

    你也许会问，既然与启动飞机引擎相比，飞机在滑行中的耗能要少

    得多，那为什么不用拖车将飞机直接拖到跑道的起点呢？2006年，维珍

    航空公司就想出了一个类似的主意。他们的想法是将飞机拖至跑道一端

    的“起步排位”(starting grid)处。这个举动极大地节省了燃料——据维

    珍估测，每趟航班减少的二氧化碳排放量将达到2吨，同时也减少了噪

    音，而航站楼周围的空气也会清洁许多。

    不过很遗憾，这种做法虽然很环保，不过很快便被停止使用了。部

    分是因为机场不愿意提供起步排位的场地，机场方面认为拖车与飞机脱

    钩以及飞机起飞时的喷气会造成航班延误。不过，最重要的原因还是来

    自于飞机制造商的警告，他们提醒说，牵引量增加会给起落装置带来过

    大的压力，这意味需要更加频繁地更换连接轮子的支架。所以最后，飞

    机还是得发动引擎，滑行至跑道。第二章 进入天空大雷达正注视着你呢

    有时，当你的飞机穿行在大机场迷宫一样错综复杂的滑行道上时，它的一举一动都在地面活动目标显示器或地面雷达的监视之中。整个航

    程中，它会遭遇许许多多的雷达，地面雷达则是头一个，而此时飞机正

    驶离地面控制区域，驶向控制塔方向和终端管制区，最后进入区域管制

    区。最后两个区域属于航空交通控制中心，一旦你的飞机起飞了，整个

    飞行过程都将由这里监视。在大部分机场，你至少能看到一个航空雷达

    在来回扫射地面。你乘坐的飞机上也有一个雷达系统，安装在机头内，以预警前方的暴风雨。

    尽管早期，人们曾多次试图研制飞机侦察的装置，第一项能于肉眼

    之外发现飞机的可操作的技术是由英国人在第二次世界大战前夕研发出

    来的。它最初的名字是“范围和方位检测器”(range and direction

    finding)，不过很快就被更名为“雷达”(radar)了，比起范围和方位检

    测器这个累赘的名字来说，按照美国称呼“radio detection and ranging”的

    首字母缩写改成“雷达”就简练多了。传言说雷达是由英国劳斯无线电研

    究所的科学家发明的。据说，当时美籍克罗地亚发明家尼古拉·泰斯拉

    (Nikola Tesla)在电磁辐射的基础上设计出了一种能置人于死地的射

    线，英国的专家们因此接到指令，要求查明该说法是否属实。专家们发

    现这项试图将无线电改造为一种新型子弹的说法毫不可信，不过若能找

    到一种适合的无线电波束，就能有效地侦察到敌人的飞机了。

    雷达最初在英国投入使用时，民间流传起这样的说法，多吃胡萝卜

    能提高视力，尤其是夜间的视力。其实，这是英国空军策划的一次成功

    的宣传，到处放出消息说空军飞行员正在接受含有大量胡萝卜的饮食以

    提高其视力，因而能准确地发现入侵的德军轰炸机。其实，一切都归功

    于雷达，是它帮助飞行员定位打击目标的，而宣传的目的是希望德国人

    能相信胡萝卜的故事。当时英国的各大报刊上，这样的宣传占据了大量的版面，于是，胡萝卜能提高夜间视力变成了一种广泛流传于民间的说

    法。

    雷达的原理十分简单。它利用的是某种形态的光，在电磁波频谱

    上，此光位于收音机、电视机中使用的光波和微波炉中的光波的位置之

    间。我们在前几节曾提到，当某一物体遭遇可见光时，可见光中的光子

    从光源中散发出来——如太阳——然后到达该物体。此物体吸收光子，致使其表面电子的能量增加。很快，这些电子的能量就会回落，重新释

    放出新的光子，其中有一些光子会反射到眼睛中，这样我们就看见了这

    个物体。

    雷达有着类似的工作原理，只不过，它既是光源——起到太阳的作

    用，同时也是接收器——类似于眼睛。它释放出成束的光子，然后感应

    由物体反射回来的光子。由于光子的能量低于可见光(如果我们把光也

    当成一种波的话，与光的波长相比，雷达波的波长更长，当它向外发射

    时，就像风吹水面生起的涟漪，向外层层扩展)，光子很难描绘出物体

    的具体特征，通常都只能模糊地显示轮廓，远没有人眼看到的景象那样

    复杂而详尽。第二章 进入天空电磁空间

    为了将你送到目的地，飞行员将使用众多的电磁辐射无线电设备，当然了，雷达只是其中的一种。除了利用可见光来分辨我们的去向，飞

    行员还广泛地使用无线电，这也是光的一种，它每个光子的能量比雷达

    还少(波长长于雷达波)。有些无线电是不需要人工操作的。导航灯塔

    就是这样的全自动的无线电波发射器，它不断地发射出信号，使飞行员

    明白何时该转向了。虽然，由于GPS(详见下节)的引入，它的作用不

    像从前那样显著了，但仍不失为一种有价值的导航装置。VOR，即甚高

    频全向信标(VHF Omnidirectional Radio Range)，一架飞机一般会用

    到两台这样的装置来确认自己的位置。

    机场内有些自动无线电发射装置更加精密，能提供ILS(仪表着陆

    系统)装置，可以精确定位跑道，提供飞机接近地面时的准确角度。有

    了ILS提供的信息，外加一些特殊雷达装置，一架装备精良的飞机能在

    可见度为零的情况下自动降落，无需飞行员手动操作，这样的系统被称

    为自动着陆系统(autoland)。

    在以无线电为基础的精密导航和着陆系统运用之前，飞行员不得不

    依赖目视指示器来帮助他们飞回机场。为了能在空中定位跑道准备着

    陆，飞行员会利用地标，这些地标在空中就能识别。例如，从东面飞入

    伦敦希思罗机场的航线上就有这样一个标准的地标，它是一个巨型的储

    气罐。很不幸的是，在同一方位还有另外一个看上去差不多的储气罐，而它指向的则是诺霍特(Northolt)的英国皇家空军(RAF)基地。有

    一位隶属于美国航空(US Airline)的飞行员曾经驾驶着波音707路过此

    地，目的地为希思罗机场，结果，他认错了储气罐，最后降落在了诺霍

    特。这造成了非常巨大的麻烦。起飞时，飞机需要的跑道长度要比降落

    时的长。而对于一架波音707来说，诺霍特的跑道太短了，无法起飞。

    最后，大家不得不把飞机上能拆的都拆了，从座椅到厨房，这样飞机才得以勉强起飞。当地的传言说，人们在跑道附近办公区的屋顶上发

    现了轮胎的印记，从印记的形态来看，像是飞机费尽了周折才得以升

    空。在这次事件之后，为了区分两个储气罐，它们被刷上了不同的记

    号。就比如那个希思罗储气罐，人们给它刷上了字母LH——如果你坐

    火车经过伦敦西区的索撤尔(Southall)，你依然能看见它。

    在谷歌(Google)里着陆

    如果你现在能上网的话，打开谷歌，你就能模拟利用储气罐找到正

    确航线的过程。输入网址http:maps.google.co.uk，查找Southbridge

    Way，Southall。把那个“街景”(Street View)小人(就是那个尺标顶部

    橘色的小人)放在左手边Southbridge Way的尽头。当这个区域的画面出

    现后，转身让小人面向西方，你将会看到那个浅蓝色、顶部写着LH的

    储气罐，这就是希思罗储气罐，而不是诺霍特的那个。第二章 进入天空驾驶室中的卫星定位系统

    如今，现代的航空导航装置是建立在无线电基础上的GPS(全球定

    位系统)，也叫做卫星定位系统，这与汽车上的导航系统是一样的。它

    利用附近的24～30颗卫星来判断地球上任何一个GPS接收器所处的位

    置，这些卫星分布在地球周围(越来越多的卫星被送上天，让系统更加

    精确，所以卫星的数量一直在增加)。每颗卫星都携带着一只走时精准

    的计时器，并且不断地播报时间和卫星轨道的位置。通常，每只接收器

    需要至少4～6颗这样的卫星，以光速为单位，计算信号从卫星到达接收

    器所需的时间来确认自己的方位。

    作为爱因斯坦的相对论在现实中的体现，GPS提供了一个鲜活的展

    示。爱因斯坦提出了两类相对论——狭义相对论(special relativity)和

    广义相对论(general relativity)。狭义相对论描述的是运动对时间和空

    间的影响，而广义相对论则论述了加速和重力的意义。在后面的章节

    里，我们还会仔细地聊聊相对论。不过，想了解相对论对于现实的意

    义，GPS倒是一个不错的例子。相对论并不是毫无根据的、空谈的理

    论，它对我们每天都在使用的卫星定位技术有着直接的影响。

    狭义相对论提出，快速走动的钟表会比我们期望的走得慢些，并预

    测到，和地球上的时钟相比，GPS卫星上的计时器每天差不多晚点700

    万分之一秒，因为它们每小时行进8600英里(约13840千米)。广义相

    对论告诉我们，重力也会导致时钟变慢。卫星所承受的重力牵引要比我

    们在地球表面上的小得多，因此，卫星上的计时器每天将多走4500万分

    之一秒。总的来说，卫星上的计时器每天将多走3800万分之一秒——它

    们的确做到了。计时器这样的偏差看起来微不足道，但卫星导航系统正

    是依靠着极其精准的测量来获得准确定位的。如果没有相对论指导纠正

    偏差，GPS系统将一无是处，仅仅一天之内，GPS所提供的方位将可能

    偏差好几公里。第二章 进入天空全球通用的语言

    是无线电将卫星与卫星连接了起来，同样也是无线电使飞机与飞机

    之间、飞机与地面操控人员之间的互相联络得以实现。在航空发展的早

    期，人们就意识到，如果外国的飞机不能听懂当地地面控制传达的指

    令，那后果将会是非常危险的。基于这个原因，所有商业性空中交通的

    交流语言都是英语——即便双方一个是中国的地面操控员，一个是中国

    的班机。

    小型飞机是通过其注册编号认定身份的，与之不同的是商业飞机，其用于无线电联络的呼号是由航空公司代号加上飞机编号的数字部分组

    成的。有时，这些代号很明显，也推测得出来。比如，美国航空公司

    (American Airlines)的代号为AMERICAN，澳洲航空公司(Qantas)

    就是QANTAS。不过也有一些代号晦涩难懂。例如，英国航空公司

    (British Airways)的代号是SPEEDBIRD(这个名字来源于帝国航空公

    司(Imperial Airways)最早使用的徽标，这个徽标沿用至今，被印在机

    身的一侧)，而有一家叫Special Scope的小型航空公司的代号就不那么

    好听了，叫做DOPE(笨蛋)。甚至还有航班叫做SANTA(圣诞老人)

    ——这是由英国航空公司推出的圣诞旅行包机。第二章 进入天空最新式样的跑道

    现在，你应该已经滑行到了跑道的起点。通常，一个大型的国际机

    场跑道的长度有3～5千米(约1.8～3英里)。大型机场一般会有多条

    平行的跑道和一些面朝不同方向的二级跑道，以提高机场的吞吐量。这

    是因为，飞机的起飞和降落都需要逆风进行。

    当你开始加速的时候，也许你最不愿看到的是被风的阻力拖了后

    腿，不过事实上，这倒带来了一些便利。飞机为了获得相对于地面的一

    定速度，若在逆风的情况下起飞，能获得更快地通过机翼的气流——起

    飞时的速度相当于飞机的滑跑速度加上风的速度。

    假设一架飞机需要达到时速150英里才能起飞。若起飞时，逆风时

    速为50英里，飞机在地面上的滑行时速只要达到100英里就可以了。但

    如果在相同风速的顺风情况下，气流通过机翼产生的上升力将会减小，这样一来，飞机的时速要达到200英里才能升空。

    在现实情况下，机场跑道不可能顾及各个方位，所以它们的方向通

    常与当地盛行风的方向一致。每条跑道都以它们的磁方位角的缩写编号

    (在跑道的尽头你能看见巨大的数字)。如果某条跑道与磁北顺时针方

    向的夹角为10度以内，那它就被编为01号。夹角若为20度以内则为02号

    跑道，以此类推。由于飞机有可能从跑道任何一端着陆(这取决于风

    向)，所以跑道的两端都被编了号，两个数字相减为18(两者相距180

    度)。

    比方说，伦敦希思罗机场有两条平行的跑道，按照进入跑道的方

    向，分别被命名为27Left(左)和27Right(右)，或是9Right(右)和

    9Left(左)。如果你从伦敦方向往西面飞，走的就是27号跑道；如果你

    往东飞，则是9号跑道。希思罗还有一条处于不同角度的第3条跑道——

    23号或5号跑道——由于太短导致大型飞机无法起飞，所以2005年就被

    关闭了。它现在被用作滑行道，从谷歌地图的航拍图上你就能看到，跑道尽头的编号已经被擦去了，不过印记还是清晰可见的。其他的机场跑

    道更多，比方说，雄伟的芝加哥奥海尔(O'Hare)机场就有7条跑道。

    当飞机到达跑道起点时，飞行员会面临两种状况。他们最希望的是

    能立即起飞。在这种情况下，飞机马上就入跑道，紧接着，油门杆被推

    起，随后飞机便进入起飞前的滑行了。如果能这样，是最高效不过的

    了，因为发动机就不必再费力使飞机从静止变为运动状态了，而且，毫

    无疑问的是，这样一飞冲天的男子汉气概对大多数飞行员也充满了吸引

    力。不过现实中的情况是，大部分时候，你都不得不在跑道的起点等上

    几分钟。

    通常，这种拖延是因为需要起飞的飞机很多。这并不仅仅只是排个

    队的问题，让前面的飞机先冲上跑道，这样后面的飞机就能远离它们喷

    射出的气流——这种等待远比排个队的时间要长得多，尤其是当前面的

    飞机比你那架飞机要大的时候。等待的原因是，起飞时，机翼前端使空

    气中产生旋转的涡流。设想一下水槽中的水是怎样打着转转流入排水孔

    的吧。这就是一个微型的涡流，机翼在空气中产生的涡流与之类似，只

    不过它们更不容易被肉眼发现，而且威力也要大得多。

    漩涡之中

    想在家中观察到漩涡，你得先把水槽的塞子塞上，装满水，然后小

    心地将塞子拔出，观察水是如何进入下水孔的(用浴缸代替水槽效果会

    更好，因为会有更多的时间让涡流成形)。你会在水面上看到一个小小

    的漩涡，朝着排水孔的方向涌去。这就是涡流。

    你也许听说过这些排水孔涡流受到地域的影响，南北半球水涡旋转

    方向各不相同。该现象可以用科氏力(Coriolis force)来阐释，它是由于地球自转而产生的。假设某人站在北极，不管他怎么走，他都在打

    转，事实上还都只停留在原地，这就是地球自转造成的。从两极向赤道

    方向前进，由于地球的自转，你的速度会随地球一起加快，因为在地球

    转速不变的情况下，离赤道越近，你要走的那个圈就越大。同理，如果

    你有一浴缸的水，离地球两极越近的这部分水的运动会缓慢些。最后的

    效果是，那些水如果不是被固定在地球表面的话，都会以顺时针方向旋

    转。

    科氏力的影响也体现在某些天气现象上，它们在北半球以顺时针方

    向旋转的方式出现，在南半球则变为逆时针方向。不过，水槽或浴缸的

    面积还太小，不足以影响到水涡的方向。反而其他一些客观因素如排水

    孔的形状和塞子被拔出时的方法将影响其旋转的方向。这些因素的影响

    超过了科氏效应。

    飞机翼尖产生的涡流需要2～3分钟才能平复。若是有飞机驶入混乱

    的气流，它将变得难以操控，因此，飞机起飞需要间隔，留出足够的时

    间让气流恢复稳定。第二章 进入天空牛顿定律是怎样让你动起来的

    无论是需要等待，还是能直接冲上跑道，起飞的那一刻最终都会到

    来。这时，油门杆被推起，而你也被猛地推向了座椅。此时，你有机会

    在现实中感受那个著名科学定律的奥妙了——此刻，你的一切都在牛顿

    运动定律掌握之中啦。这些定律都和力有关，从本质上来说，力是所有

    现象产生的基础。比如，若某物体突然开始运动，那一定有个施加于它

    的力。牛顿提出了三个不同的关于力的定律，当你冲上跑道的那刻起，牛顿的三个定律就开始起作用了。

    牛顿第一定律中说到一个物体(比如你的身体)在没有受到力的作

    用时，总保持原有状态——运动或静止。这听起来似乎并没有什么了不

    起的，但是在牛顿之前，人们认为如果想让物体处于运动状态，就得不

    停地施之以力。如果停止施力，物体就会静止。(其实，过去的理念还

    是挺复杂的呢，因为那时人们认为物体(如地球)都受到重力，因而有

    一种向宇宙中心靠近的自然趋势，同时，其他物体(如空气)则有浮

    力，因而有一种远离宇宙中心的自然趋势，而对于除此之外的其他物体

    来说，不受力便静止。)然而，牛顿却意识到，一旦物体处于运动状

    态，必须对其施加一个外力(和它原有运动方向相反)，它才能停下

    来。

    飞机的发动机施力于飞机，正是这个力使飞机动了起来。而与此同

    时，你的身体还是处于静止状态。所以，座椅推了你一把。而你(因为

    你只从你的角度看问题，而非从椅子的角度)感受到的是身体靠到了椅

    背上，陷入椅子中，但是，不论从原因或效果而言，都是椅子推了你。

    这样，你就被施力了，开始运动。同样，如果你不动起来的话，当椅子

    开始向前运动的时候，你的身体将会被椅子击穿。

    那么，这个力到底对你做了些什么呢？牛顿的第二定律告诉我们，推你的外力等于你的质量乘以你所经历的加速度。你所感受到的外力越大，你的加速度就越快。飞机在短短的半分钟内就从静止状态加速到时

    速150英里，这个加速度是重力加速度的14。因此，你所承受的g力(g

    —force)——相当于重力——大约是0.25g。

    这个力看起来微小，比起一辆车时速从0到60英里加速过程中所受

    的g力，它的确算不了什么。例如，捷豹XJR从0加速到时速60英里仅需

    5秒，所受g力为0.6g。那么，为什么你在飞机上能明显地感觉到自己

    被推向座椅呢？当飞机油门加大时，你在瞬间承受了大部分的推力，而

    对于汽车来说，这种推力是逐渐增加的，所以通常都会被人们忽略(而

    且我们绝大多数人开的都不是高性能的好车)。

    飞机在跑道上的加速过程很好地诠释了牛顿第三定律。通俗地说，这条定律告诉我们：两物体相互作用时，它们产生的相互作用力总是大

    小相等而方向相反。从表面上看，这和废话没什么两样。好像你根本就

    没法移动任何东西，因为当你试图推某物时，就会产生一个一模一样的

    反推力，最终的结果就是，那东西还是纹丝不动。但是，如果没有牛顿

    第三定律，飞机还是动不了。

    牛顿第三定律之所以能让物体动起来，是因为作用力和反作用力的

    受力对象是不同的。当你推盒子时，盒子也以相同大小的力在推你。如

    果你跳伞，地球对你的吸引力和你对地球的吸引力是完全相等的。但

    是，我们不能忘了牛顿第二定律——外力等于质量乘以加速度。地球的

    质量远远在你的之上，所以即便你与地球相互作用的力相等，地球所承

    受的加速度等于外力除以它庞大的质量——不管怎样，地球都不会受到

    影响。

    当椅子推你时，你也推了椅子。如果不是你推了椅子，你就不会带

    着加速度陷入椅子中，而会感觉被猛地推向前去。不过，牛顿第三定律

    的作用远远比这些要重要得多。飞机发动机之所以能使飞机运动，仰赖

    的就是它。第二章 进入天空成为喷气机一族

    发动机熄火时，你能看见其前部的巨大的风叶，它们吸入并压缩空

    气。空气将与雾状燃料混合在一起，这些混合物会在燃烧室里被点燃。

    这将产生巨大的能量，部分能量将输送给涡轮机以保持压缩机叶片持续

    运转，但绝大多数能量将从引擎后部喷射出去，汇入压缩机叶片吸入的

    强劲的空气中。由于引擎对空气产生了一个巨大的向后推力，反过来，空气也会以相同的力量将发动机(飞机)推向前。飞机之所以能持续飞

    行，靠的就是牛顿第三定律。

    飞机引擎能产生巨大的推力。一架四引擎的波音747能产生10万牛

    顿或100万牛顿的力。牛顿是力的单位(当然，它是以牛顿的名字命名

    的)。1牛顿的力相当于使质量为1千克的物体产生1米每二次方秒的加

    速度所需要的力。对于保时捷这种高性能的跑车来说，从0加速至60英

    里小时只需要3秒。如果车的重量(在摩擦力的作用下)是200千克，那它产生的推力将达到1.8万牛。

    大多数情况下，我们可以通过牛顿定律得出那些和物体运动有关的

    数据，但是严格来说，牛顿第二定律有一定的局限性，它只适用于那些

    运动速度比光速慢的物体。运动速度越快，它得出的数据就越不精确，有时，甚至在相对低速时，它得出的数据也是有误的，这也是为什么我

    们需要调节GPS卫星的计时器，因为它时常会产生偏差。之后我们会说

    到，如果要获得绝对的精确，或在物体运动速度极快的情况下，我们需

    要用相对论来替代牛顿第二定律。但是，对于日常生活中的那些运动来

    说，牛顿定律就够了。第二章 进入天空旋转和爬升

    飞机开始加速了，飞行员会依次接到指令让飞机加速到V1，VR和

    V2，这是至关重要的三个空速。对于每一个型号的飞机来说，这三个

    速度都相对固定，以确保飞机安全起飞。飞机一旦接到“V1”的指令，就

    意味着它必须起飞，V1被称为决断速度。VR中的“R”代表“rotation”，当

    飞机达到这个速度时，飞行员会接到“Rotate”(抬轮)的指令。接着，飞行员向后轻拉操纵杆，变换水平尾翼舵面的角度，让机头抬头离地。

    这样的倾斜能使空气与机翼之间形成更小的角度，使飞机获得更多升

    力。此时，飞机虽然还没有完全离开地面，却一直处于加速中，当加速

    到V2(起飞速度)时，它就成功起飞了。

    起飞后引擎的噪音会立刻变小，这会使第一次上机的飞行员感到有

    些担心。其实这并非故障，而是正常现象。引擎源源不断地输出能量，帮助飞机爬升和加速，只不过会稍稍减小油门，减小发动机噪声对机场

    附近居民的影响。第二章 进入天空感受气压

    随着飞机爬高，你的耳朵内会有些异样的感觉，你会觉得不舒服，甚至可能感到阵阵刺痛。机舱中的压力低于标准大气压，由此产生耳朵

    不适的症状。一架民用飞机的巡航高度为35000～40000英尺(约为5英

    里或11千米)。之所以选择在这个高度上飞行，一方面是为了省油，因

    为这个高度上的空气阻力较小；另一方面是为了避开影响飞行安全的气

    流。在这个高度上，气压极低，使人无法呼吸，这里的氧气量只有地面

    上的14，所以，此时机舱内需要加压。

    从理论上来讲，人们可以将机舱中的压力调整至与海平面气压一

    致，但是随着压力增大，飞机的重量也会随之增加以确保机舱处于密封

    状态——因此需要在两者间找到一种平衡。人们认为海平面上6000～

    8000英尺的气压是机舱内最合适的气压，这实在是一个武断的决定。这

    个高度类似于墨西哥城的海拔，它是地球上海拔最高的城市。6000英尺

    处的气压相当于海平面气压的80%，这意味着你只能获得平时45的氧气

    量。而8000英尺高空的气压只有平时的34。

    由于气压减小，你也许会感到呼吸不顺畅，或是容易疲乏，不过影

    响最大的还是你的耳朵。伴随着周围气压的减小，你体内无论什么气体

    都会膨胀。耳朵不适症源自咽鼓管内空气膨胀。咽鼓管连接着你的鼻子

    和嘴，压力改变导致咽鼓管内空气膨胀，耳膜充血，造成耳朵不适。不

    过，你可以通过吞咽、打哈欠，或用瓦耳萨耳瓦氏手法(Valsalva

    maneuver)来平衡耳膜两侧的压力差，缓解不适。瓦耳萨耳瓦氏手法指

    的是用手指捏住鼻子，然后轻轻吹气。第二章 进入天空机翼的工作原理

    引擎的动力还不足以使你离开地面，你还得感谢机翼。即便是高速

    运动也无法阻止你下坠的趋势。试想你站在地面上，一只手拿着一颗子

    弹，另一只手拿着枪，枪里也装着一颗一模一样的子弹。松手让子弹下

    坠，与此同时，扳动手枪，枪里的子弹水平射出去。哪颗子弹会先落地

    呢？我们本能的反应是手中的子弹先掉在地上，但事实上，两颗子弹会

    同时坠地，而且它们落地的速度也是一样的。

    由此可见，光有速度是不够的。飞机还需要升力——它是一种向上

    的力，能对抗重力，使飞机腾空。机翼的存在就是为了获得这种升力。

    当鸟扇动翅膀在空中飞翔时，升力的来源显而易见。挥动的翅膀将空气

    向下推，获得向上的反作用力(见牛顿第三定律)，就像飞机引擎那

    样。但是，当鸟处于滑行状态时，升力从何而来呢？或是就飞机而言，它的机翼是固定的，不能挥舞着来推动空气，怎样才能获得升力呢？实

    际原因有可能与你最初的直觉有所偏差。

    给自己来点上升力

    我们很容易就能模拟出飞机在空中受到的升力。撕一张纸。如果你

    用的是A4规格的打印纸或信纸的话，沿着最长的边将它对折，然后，沿着同一个方向再对折，现在，你的实验工具就完成了。把纸展开，拿

    住纸张的一端，使它自然下垂。现在，把嘴凑在纸被你握住的那头。最

    后，长长地吹一口气，让气流平稳地经过纸张表面。

    下垂的纸被气流托起。你制造了一个升力，就像机翼给飞机制造了

    升力。正如我们看到的那样，空气以不同的方式在物体上方和下方扩

    散，产生了一个上升的力。在纸的实验中，空气只在纸张上方流动，下方则没有空气流动，不过，机翼和纸张还是有些不同的。

    图4 使纸张获得升力

    机翼顶部弯曲，而底部相对较平。就像实验中的纸片一样，当空气

    通过这些弯曲的表面时，升力就产生了，飞机被向前推动。机翼的形状

    被称为翼面(airfoil)，它们能劈开空气，改变气流的方向。由于机翼

    施力于空气(你猜得没错，还是牛顿第三定律)，它们也受到了空气的反作用力。我们马上就会向你展示这一切是如何发生的，不过令人尴尬

    的是，在很长一段时间内，那些用来解释飞机升力的最常见的说法都是

    错误的。

    你也许听过这样的说法，机翼的形状很特别，空气从机翼上方通过

    的距离要大于从下方通过的距离。按照这个假设，为了追赶上下方的空

    气分子，上方的空气分子会加快运动速度，这样两者才能同时在机翼前

    端汇合，这样一来，机翼上方的空气就变稀薄了。由于空气变少，它在

    机翼上方产生的压力就会减少。这意味着，机翼获得了向上的升力。

    如果机翼上方的空气运动得更快，飞机就能获得升力，这个说法并

    没有错。但是，这绝不是由于机翼上下两个平面不同的长度导致的。没

    有理由说，机翼上方的空气分子就一定要追赶上下方的空气分子。而事

    实是，通过机翼上方空气的速度远远超出了那个需要追赶的速度，导致

    该现象的原因也和机翼上下两面的长度没有任何关系。真正的原因是流

    体(空气)复杂的运动方式。

    为了让你能更好地理解这一切，让我们再来回顾一下牛顿的第二定

    律吧。牛顿告诉我们力等于质量乘以加速度。如果加速度存在，力就存

    在。但加速度又是什么呢？我们习惯于认为加速度就是发生了改变的速

    度。例如，在6秒钟内，从0加速到60英里时。但事实上，加速度指的

    是速度(velocity)而非速率(speed)的改变。两者的区别在于速度涵

    盖了速率和方向。速度是一个矢量。所有发生了改变的速度都可以被当

    做加速度，哪怕它只改变了方向，而速率不变。当某物体以相同的速率

    转圈时，它就处于加速状态中，而加速度的产生必须以力的存在为前

    提。

    想象一下空气正在通过机翼。弯曲的机翼表面使空气方向发生改

    变。这意味着空气被加速了，而当它沿着弯曲向下运动时，加速度的方

    向向下。机翼给空气施了一个向下的力，而机翼则受到空气向上的相等

    的反作用力。第二章 进入天空操控机翼表面

    飞机通过机翼上的“一些可操控翼面”获得升力。它们是一些位于机

    翼和尾翼上的可移动平面，能够帮助飞机倾斜和转向。三个主要操控翼

    面的工作方法相同：副翼，它是安装在机翼翼梢后缘外侧的一小块可动

    翼面；方向舵是垂直尾翼中可操纵的翼面部分；最后是升降舵，它是水

    平尾翼中可操纵的翼面部分。飞机副翼是负责飞机在空中方向的装置，它们控制飞机的左右偏转。当飞机转弯倾斜飞行时，左、右副翼朝相反

    的方向摆动，右副翼上偏时，左副翼向下，而方向舵则用来控制飞机航

    向(飞机若向左飞行则方向舵向右转弯)。升降舵摆动的方向则与飞机

    方向一致，它们控制飞机在空中的俯仰运动。操控不同的翼面能使作用

    于飞机的力发生改变，它们都能帮助飞机获得升力。

    如果你坐的位置能够看见机翼，你会发现在机翼后缘有一些可以伸

    缩的平面，飞机起飞后它们就会收起，而在降落前，它们又会向外延

    展。它们被称为襟翼。襟翼有双重作用： 它们能够增加机翼面积，从

    而获得更多向上的推力。这样做能保证飞机在低速时也能平稳飞行，因

    此对于降落来说，襟翼至关重要，而起飞时，它们的作用也不容忽视。

    不过，襟翼将增加飞机的阻力。这是一种向后的力，它会影响飞机的飞

    行速度。在降落时，这样的阻力有助于减小空速，但是在常规飞行中它

    们就显得有些碍事儿了。因此，飞机一旦起飞，襟翼就会收起以减小阻

    力。如果你看得见机翼，你总是能看见那一溜沿着机翼排开的支杆(被

    称为襟翼导轨整流罩)，它们控制着那些伸缩自如的襟翼。

    如果能看得见机翼，你一定还会注意到机翼不是僵硬地一动不动，它们会随着飞机的飞行摆动。当然，飞机的机翼不可能像鸟儿的翅膀那

    样大幅度地扇动——飞机不是这样获得升力的——它们之所以会摆动是

    因为机身的上下颠簸会传导给机翼。在飞行中，大型飞机翼尖的摆动幅

    度能达到2～3米，虽然这看起来很吓人，但是和机翼的韧度比起来，这算不了什么。在波音787飞行前的测试中，它的机翼被弯曲了8米仍完好

    无损。如果机翼是僵直的，机翼和机身的连接处将承受无法负担的重荷

    ——别忘了，一架满载的波音747重达400吨。高韧性的材料使机翼能承

    受这样的拉力。

    图5 机翼的各组成部分

    在一架现代飞机上，你有可能会看到小翼——它被装在机翼翼梢

    处，很容易看见。

    之所以称其“小”是相对于机翼的巨大而言的。它们直立在机翼表面

    上，有一人多高。小翼有双重作用。它能增加现有翼展的升力，减少阻

    力。这是因为翼尖产生的涡流容易在空气中形成破坏性的漩涡——两架飞机起飞之间之所以要有时间间隔，为的就是避免这样的空气漩涡。翼

    梢处的小翼能够截断漩涡，减小涡流的危害，降低阻力。有些飞机上没

    有安装明显的小翼，但是会在机翼外缘增加坡面的数量，这个方法同样

    能够防止涡流产生。

    飞机受到的力

    当飞机在空中飞行时，它会受到五个力的影响，这些力以及其复杂

    的方式相互作用，推动飞机向前。这些力分别是：

    ·重力——给飞机一个向下的力；

    ·升力——向上托住机翼；

    ·推力——在发动机的作用下推动飞机向前运动；

    ·阻力——由于空气阻挡，向后拖住飞机的力，它的方向与推力和

    上升力相反；

    ·湍流——当飞机遭遇不同气流时，受到各个方向来自气流的力。

    如果你手边有三张A4或信纸大小的纸，你就可以模拟这些力的效

    果。你要做的是使每张纸飞得尽可能远(为了礼貌起见，最好还是回到

    地面上再做这个实验吧)。

    将第一张纸片直接扔出去。把第二张纸捏成纸球后再扔出。用第三

    张纸折一架纸飞机，然后再扔。你会发现每一张纸都比前一张飞得远

    (除非你的纸飞机折得太糟糕)。对于三张纸来说，它们受到的重力和

    推力(你发出的)几乎都是一样的。只要这些纸没有碰到气流，空气对

    它们基本不会产生干扰。因此，造成三者飞行距离远近的只有上升力和

    阻力了。

    第一张展开的纸片受到的阻力最大，因为它与空气接触的面积最大。空气分子与纸张发生撞击产生了牛顿定律中提到的阻力。与空气接

    触的面积越大，越多的空气分子就会与纸张发生撞击，产生的阻力也就

    越大。相比较而言，第二张被揉成纸团的纸受到的阻力就会小些，因为

    它与空气的接触面小，与之发生撞击的空气分子也就少了。

    展开的纸片和纸团受到的上升力都较小，但是一架制作得当的纸飞

    机(它受到的阻力也许会比纸团大些)却能获得更多的上升力，因此，它能比前面两张纸飞得更远。第三章 探索地形地貌麦田之谜

    当机场离你渐去渐远时，你就进入飞行中最引人入胜的环节了。此

    时，你离地面的距离还不算太远，你能清楚地看到地面上的各种景物，这给了一个宝贵的机会，让你能以鸟类的视角来观察自己平时生活的环

    境。如今，人人都可以在网络上看到静态的航拍图，但是此刻机窗外的

    一切是如此真实，视野是如此广阔，会让你对那些城镇村落的点点滴滴

    有全新的感悟。

    夏季或是早秋时节，若经田野上空飞过，你也许能看到麦田怪圈，空中俯瞰是欣赏它们最佳的方式。在地面上很难看清麦田里究竟被画上

    了什么图案，但在空中，你能看到犹如艺术品一般的巨幅图形。理论上

    来说，在田野上画个圈并不是什么难事，但若要能像这些图案一样有巧

    夺天工的设计，就没那么容易了。

    自20世纪70年代后期的二十多年来，麦田怪圈的成因一直是一个

    谜。有人推测造成这一现象的也许是不寻常的天气，例如反常的龙卷

    风，甚至怪圈本身就是外星球造访者留下的记号，作为同伴间的信号，抑或是留给人类去破解的信息。农田中，图案本身之外的庄稼并没有受

    到半点损害，很多人坚信这一点绝不是人类所能做到的。然而，1991

    年，来自英格兰南部的道格·鲍尔(Doug Bower)和戴维·车利(Dave

    Chorley)宣布他们就是麦田怪圈的始作俑者。

    他们向人们展示了如何通过一块或几块一端系有粗绳的木板压倒部

    分庄稼来制造怪圈。为了得到精准的线条，他们用一只穿了麻绳的旧帽

    子在地面上测量出各种角度。由于没有用到任何重型机械，仅仅是几个

    人靠步行完成的，因此，完全没有损坏到旁边的庄稼。其实，这些图案

    并没有我们看起来那样丝毫不差，不过，对于如此庞大的图案来说，人

    眼难免会有些误差，这也是在情理之中的。

    时至今日，更多的怪圈仍持续不断地出现在麦田中，且图形日益复杂。虽然有些麦圈被弄成了广告商标的样子，有些图像则更通俗易懂，不过，在所有出现的纹样中，几何图形还是最为常见的。除此之外，还

    有许多人坚持认为这些麦圈就是外星人的杰作。原则上这也不是不可

    能，正如原则上，街道尽头的超市也有可能是外星人造的一样，因为你

    从未看见是谁建造。不过实际上，这种可能性极其之小。不管怎样，麦

    田怪圈的来历并不能减损其出色的艺术价值，无论如何，它们都称得上

    是短暂的艺术品。这是一种以庄稼为媒介，以木板为工具制造出来的艺

    术品，尽管如此，它们也还是一种艺术。第三章 探索地形地貌纳斯卡线条的上空

    那些从空中俯瞰才能欣赏到的艺术品般的建造物早已不是什么新鲜

    事了。这其中，令人印象最深刻的当属远在秘鲁沙漠中一片绵延几公里

    的纳斯卡线条了。这些图案的制作方法十分简单，地面褐色岩层的表面

    被刮去了数公分，露出下面的浅色岩层，就形成了眼前的坑道线条。这

    些线条的痕迹非常浅——有些只有10厘米，少数一些最深也不过30厘

    米，但是，沙漠少雨干燥的气候让这些线条和图形在历经1500年之后还

    清晰可见。

    事实上，许多的纳斯卡线条仅仅就是些直线和简单的轮廓，不过也

    有一些呈现出抽象的动物图案，有的像猴子，也有的像蜂鸟。这些图形

    的轮廓巨大——最大图形从一边到另一边的长度有200～250米——而对

    于那些线条来说，它们则绵延至更远。和麦田怪圈一样，有人认为纳斯

    卡线条是外星人的杰作，或是那些和外星人接触过的人类留下的用于和

    外星人联络的信号。人们这样猜测是因为在根本看不到全貌的情况下，这样巨大的直线、弧线以及那些动物图案又是怎样被制造出来的呢？而

    当时的人们在没有任何飞行工具的条件下，又为什么要建造这些只能从

    空中才能看见的图形呢？建造这样大的工程似乎是那个相对落后的文明

    所无法企及的。图6 纳斯卡线条的一部分(纳斯卡，秘鲁)

    不过，这样的猜测忽略了两个事实。首先，当某物被赋予了精神意

    义时，人们趋向于把它们修建得宏大雄伟。比如说中世纪的教堂。13世

    纪建造的索尔兹伯里大教堂(Salisbury Cathedral)，有着123米(404英

    尺)的尖塔，这和同时期英国的其他建筑物形成了鲜明的对比。人们很

    容易产生这样的联想，中世纪时，落后的欧洲人还居住在简陋的小屋

    里，怎么会有能力建造出这样雄伟的建筑呢？不过，索尔兹伯里大教堂

    的宏大雄伟寄托着人们远离人寰、接近上帝的愿望。

    即便不是出于精神寄托，人天生就喜欢大的东西，如果画布够大的

    话，我们自然希望上面的图案越大越好。看看那些在海滩上堆沙堡的人吧，有些沙堡大得令人惊讶。孩子们在沙滩上画出若干米长长的线条，他们这么做不是为了要给外星人发信号，仅仅是因为好玩罢了。无法飞

    到高空俯瞰全局并没有妨碍孩子们画出巨幅作品，他们这么做是因为他

    们可以这么做。这样一幅巨型的画布让人着迷，使人们不可避免开始追

    求宏大的效果。从某种意义上来说，纳斯卡线条和沙滩作画一样，只不

    过，荒漠是放大版的沙滩，它能让维持图案几百年不被磨灭，而不像沙

    画一样随时会被海浪冲刷得无影无踪。第三章 探索地形地貌白垩图腾

    至于人类制造大型标识的第三个原因，让我们来看看英国的“白

    马”(white horses)，当你飞过英国上空就会看见它们，这些规模相对

    较小的地标同样引人注目。这些白马的刻像(有些实际看起来并不像

    马)出现在表层覆有薄土的白垩地质区域。艺术家们通过冲刷移走岩层

    表层的草皮和泥土，让下面浅白色的白垩岩显露出来，再凿刻出恰当的

    形状，这样，某种生物的轮廓就被勾勒出来了，它可以是一匹马，也可

    以是一个人，或者，你也可以将整片的草皮都清除干净，让白色的图案

    整片裸露出来。

    最为人广知的白垩岩刻像也许当属英国乌飞顿(Uffington)的白马

    了。现实中，它看上去不怎么像马，而更像一条龙(也有些人说像

    狗)，无论如何，这个刻像还是让人印象深刻，哪怕它只是由一些抽象

    的线条组成的。从地面上很难看清这个刻像的全貌，只有在空中你才能

    感受到它的绝妙之处。不过即使在地面上，还是能隐约感觉它刻画了些

    什么，你可以将它当做一条充满仪式感的小径，沿着它的轮廓，绕着走

    走，与之交相感应——这一幕或许也曾在纳斯卡出现。建造这些图案的

    本意也许就是让人们能绕着走走吧。图7 乌飞顿白马(Uffington White Horse)

    乌飞顿的白马已经有200多岁了。仅仅查看翻起的草皮无法掌握石

    刻的详细数据，不过，这些数据可以通过两种途径得到。第一种叫做光

    释光测年法(optical stimulated luminescence dating)，它通过研究矿物因

    自然辐射而发生改变的结构来进行年龄测定。这些结构的改变有序而稳

    步，因此，当物质被埋藏起来时，它们的结构改变像计时器一样记录着

    埋藏时间。不过，一旦这些矿石暴露在光线之下，“计时器”就不再精准

    了。对比白马表层和其周围草皮之下的白垩岩，就能估算出石刻的年

    龄。同时，这种与众不同的白马形状出现在许多铁器时代(Iron Age)

    的钱币上，这意味着在2000多年前，该图案或与之类似的图形就已经存在了。

    从某种意义上来说，白垩岩白马们犹如人的身体。每时每刻，人体

    内的细胞都在不停更替——骨头里的细胞也不例外——所以，多年之

    后，你原有的身体在这种交替中已经不复存在，虽然它仍然是你的。同

    样，随着表层植被的繁茂回侵，白马们也接受着自然的改造。人们得定

    时清理它们，一般十年一次，使之清晰如初。

    你飞了多高

    这个方法常常被用来估测高空距离。我们将运用到几何学。如果两

    个三角形所有对应的角度都相等，其对应边也成一定的比例。如果其中

    一个三角形最短边的长度是另一个三角形最短边的两倍，那么前者另外

    两条边的长度也分别是后者两条对应边长度的两倍。

    以此类推，握住某物伸至一臂之远，如果你知道臂长和物体的高

    度，我们可以使之与远处的物体进行对比。如果你知道这个物体的大致

    高度，那我们就可以估测出它与我们的距离。这个方法的可行之处在于

    我们能把手臂的长度和手中那个物体的高度看成是三角形的两条边。机

    窗外某物体的距离和它的高度则是另外一个三角形对应的两条边，这个

    三角形与手臂组成的三角形形状类似，但是却要大得多。图8 通过一臂之外的物体来测算距离

    测算距离的第一步是将手臂伸直，测出你的眼睛到指尖之间的距

    离。若下次有机会，你可以量量，不过，如果你手边暂时没有卷尺的

    话，那我告诉你，你的眼睛到指尖的距离差不多是0.75米(2.5英

    尺)。现在，你还需要一些物体作为参照物。

    ·圆珠笔笔尖的直径约为1毫米(11000米)——1米是它的1000倍。

    ·纸张打洞器打出的洞的直径约为5毫米——1米是它的200倍。

    ·一枚英国1便士的硬币的直径约为20毫米——1米是它的50倍。

    测量一下你随身携带的一些硬币的直径，它们将成为下一步测算的

    参照数据。

    现在，让我们来看看一些我们熟知的物体到底有多大。比方说，乌

    飞顿白马的长度为110米。你可以联想一下汽车大约长4米，一栋独立的

    住宅对角线长为10米，一座普通的工厂或是一座大型购物中心的占地直

    径则在100米至200米之间。

    设想一下，当你看见乌飞顿白马时，它看起来和离你一臂之远的便

    士差不多大小。一米的长度是1便士硬币直径的50倍，而白马长110米，是1便士硬币直径的5500倍。这意味着，你与白马之间的距离是你的眼睛到指尖距离的5500倍。

    所以，比较之后，你发现自己处于约1219米(4000英尺)的高空。第三章 探索地形地貌过去的踪迹

    即便身处地面，你也不难发现乌飞顿白马或纳斯卡线条的踪迹。你

    或许不具备空中旅行者那样能看清图形全貌的视角——但是，当你经过

    遗迹附近时，依然会注意到它们的存在。人们用相同的方法观察某个大

    型遗址的地基，在地面上，它们似乎只是一些胡乱堆砌的墙壁，不过若

    从空中俯瞰，其精细的构造则一一呈现于眼前。而且，在飞机上，你能

    发现地面上一系列人类遗迹，身处地面时，你从未留意过它们，即使它

    们就在你旁边。

    时光流转，许多昔日的繁华都市渐渐落寂，从私人建筑到整座城

    镇，无一例外。这可能是由于某片区域被一个文明所抛弃，成为被遗忘

    的角落，例如，铁器时代的人类居所或是罗马时期的住宅。也或许是由

    于附近矿产资源枯竭，或是土地荒废，而相应的工作机会也随之消失。

    起初，这些废弃的建筑还十分显眼，就如照片中的旧萨伦姆一样，但

    是，废墟上的建材常常会被取走用于别处。而这些相对不怎么结实的建

    筑物——通常它们都是木结构的——在时间的侵蚀下逐渐衰败。那些宏

    大的教堂和城堡，在被遗弃了几百年后仍能站立不倒，但是对于一些居

    民住宅来说，它们最终沦为地基而且很快就消失在土层之下。

    通过一些合适的工具就能侦测出这些隐匿的历史考古遗址。通常，地基中建筑材料与周围土壤的密度不同，它们的含水量也不同，同时遗

    址还具有一些不寻常的特征，现代探测仪器都能将其一一发现。不过，还有一种更简便的方法来发现遗址，那就是使用低空飞行的飞行器。

    如果有机会在拂晓或是黄昏时分起飞或降落，你可以试试这个方

    法，这是发现遗迹的最佳时间。此时，太阳斜垂于低空，阳光和地面形

    成了一个相对较小的角度。留意一下开阔的田野，尤其是村落周围的那

    些。比方说，那里曾经树立着一栋罗马时期的民宅，而如今只剩下一些

    埋藏于土下的残墙断壁了，即便有人途经，也很难注意到它的存在。若土层之下埋有一段残墙，其上植被的生长将受到抑制而显得稀疏，不如

    周围的植被那样繁茂。若土层掩盖的是一段沟渠，其上的植被则更高壮

    而丰茂。

    这样的差别在地面上是不容易被注意到的。不过，当光线以较小角

    度射入时，长得高的植物将在地面投射下更为浓重的阴影。从空中看，这些阴影连同繁茂和稀疏植被之间微妙的色差将遗址大致的轮廓勾勒了

    出来。在一片开阔的田野中，这座隐藏的建筑地基会以阴影的形式展露

    出来。许多考古遗址就是这样被完整地发现的。如果足够幸运，你将通

    过这种途径发现一座隐秘的建筑，看见一座近千年来地面上都无人察觉

    的遗址，植被和斜阳交织的浓厚的阴影使之重现于世。仔细观察，别混

    淆了遗址的阴影和拖拉机在田野留下的痕迹。拖拉机留下的是开放式的

    线条，而不是闭合的形状，它们更加清晰易辨认，远不及光影交织这般

    微妙晦涩。第三章 探索地形地貌追随水路的足迹

    在空中，除了能发现人类建筑的残迹，我们还能更加清楚地看见一

    些自然界中的现象是如何形成演变的。江河与溪流就是不错的例子。一

    条小溪最初的样子与一条成熟的河道有着天壤之别。由于水从高处往低

    处流，溪流最初的形态类似于树干和嫩枝(这种形态被称为树枝状

    (dendritic))，只不过小溪的生长方向和树相反，树是先发枝干，再

    生嫩条，而在溪流演变中，水滴聚集成水流，水流汇成更大的支流，最

    后流入主河道。

    这些年轻溪流的形成过程给我们展示了两种十分有趣的科学现象：

    自主成形体系(self—patterning systems)和分形(fractals)。

    自主成形体系(self—patterning systems)

    这个实验在飞机上没法做，只好等你到家再操作吧。将蜡覆盖在一

    只小托盘上——最好是将蜡熔化，然后倒入托盘中。你可以将蜡置于碗

    中，将碗置于一锅沸腾的热水中使蜡熔化。尽量使蜡均匀地平铺在托盘

    中，接着，就等待着蜡凝固吧。

    现在，端起托盘，把它斜放入水槽内形成一定角度，使水能顺着流

    下。在托盘顶端靠近中间的位置，将一小注热水浇在蜡层上，这样，热

    水就顺着斜坡下流。(小心别烫着自己!)起初，热水会在蜡层表面四

    处流动，但是，随着蜡层逐渐熔化，沟渠就在其表面出现了。一旦形成

    了沟渠，水就会通过三条路径流下去。这将熔化更多的蜡，而表面的沟

    渠也会变得越来越宽，越来越深了。沟渠越宽深，流经的水就越多。这

    个过程将周而复始。蜡和热水构成的这种自主成形体系十分有趣，因为最开始并没有固

    定的模式。液体毫无次序地流经表层(如蜡上的水柱，溪流形成初期的

    水流)，随着表层细微的起伏而波动。当液体流动起来时，它开始侵蚀

    表层。一旦形成了一道浅浅的沟渠，更多的水就会涌向这道浅沟，使之

    不断被拓宽。

    大脑同样具备了自我成形的体系。大脑中负责储存信息的部分是由

    数百万个特殊的细胞组成的，我们称之为神经元(neuron)。每个神经

    元又通过一种被称为触突(dendrite)的丝状体与成百上千个神经元相

    连。正是这些连接行使了大脑的记忆和其他储存功能，不过在形成的初

    期，这些连接十分脆弱。连接一旦建立起来，只要反复使用，它们就会

    逐渐增强。这些经巩固的连接更易于使用，因此也更频繁地被人们使

    用。一旦这样的初始形态出现了，它们就会在反复使用中自我强化。第三章 探索地形地貌有趣的分形

    溪流形成过程中第二种有趣的科学现象被称为分形(fractal)，同

    样，它与溪流最初成形时混乱无序的方式有关。此混乱并非是编辑热衷

    的那种出现在报纸头条的混乱，他们笔下的混乱意为无序的骚乱。数学

    意义上的混沌说的是事物开始时的状态对其今后发展的影响。初始时十

    分微小的变化对其未来状态会造成极其巨大的差别。这种现象常被描述

    为“蝴蝶效应”，说的是某一大洲上龙卷风的起因也许是另一大洲上某蝴

    蝶扇动几下翅膀。尽管这种说法过于简单，却很好地诠释了这个概念。

    分形是混沌几何形态的一种，它强调的是“自我相似”。如果你将某

    个形状看成是一个整体，取出整体中任意的一个片段，然后将其放大至

    与整体大小相同，会发现该片段有着与整体十分类似的结构。树是一种

    分形，而在孕育过程中树状结构的年轻溪流也是一种分形。地面上微小

    的变化对水流方向产生巨大的影响，由此，溪流在分形中不断壮大，这

    就是数学上经典的混沌法则。第三章 探索地形地貌河湾的形成

    随着小溪或是河流的“主干”日渐宽阔，它们的形态开始变得蜿蜒曲

    折了。同样，这样的变化也是一次混沌事件，初始条件下极其微小的变

    化将导致未来状态的巨大差异。由于地表凹凸不平，当溪流形成时，它

    们不会笔直地朝一个方向流去。若是观察一下那些向左拐弯的河道就不

    难发现，通过河道左面水流流经的距离更短，而通过河道右面的水流流

    经的距离则更长。

    水流在河道里流动时将呈现出两种情况。假想一下水流正在通过河

    道的转弯处，左手边河道内侧的河水流速较快，而河道外侧的流速则较

    慢。初看起来，这也许和你想象的情况正好相反。假设是一个固体物质

    绕过弯道，该物体所有部分都组合在一起不能分离，你大概会认识到，比起该物体的外侧来，其内侧通过的速度会慢些，因为在同样的时间

    内，内侧需要运动的距离比外侧要来得短。这也是汽车轮胎需要安装差

    速器的原因，因为汽车在转向过程中车体内侧的轮胎比外侧要转得慢。

    不过溪流并不是固体，而是流动的。和固态物体运动时齐头并进的状态

    不同，水流的各部分在运动时并不是同步的。

    左手河岸内侧的水流加速是为了保持角动量守恒。想象一下张开双

    臂，在冰面上旋转的溜冰者。如果他们将手臂回缩收拢，旋转的速度将

    会加快。角动量是由与物体到原点的位移和其速度决定的。在不受外力

    作用下，角动量是守恒的——除非你施与外力，否则它将保持不变。当

    溜冰者将手臂收回时，半径减小了，因此，旋转的速度就会增加以保持

    角动量不变。

    同理，当水流流经半径较小的左边的内侧河道时，其流动的速度会

    加快以保持角动量守恒。这样一来，外侧河岸所受的压力将略高于内侧

    河岸。(你可以想象成内侧河岸附近的水分子更稀疏，因为它们走得

    快，所以内侧的压力也小些)。不同的压力造成了河水从河岸外侧至内侧的二次流动，并从外侧河

    岸带来沉积物。因此，泥沙从弯道的外侧被冲刷到了内侧，这使得河道

    愈来愈弯曲。河水流动的过程中，其流向的右侧往往向外凸出，形成凸

    岸，而其左侧则明显地凹了进去，形成凹岸。

    水流转弯后回到主河道，接着转入右边，同样的一幕又上演了，于

    是右岸的河湾就逐渐形成了。最后河水流成了一条潦草的正弦曲线，先

    往一边拐，接着是另一边，不过，这些弯曲的弧度都不一样，这是由于

    这些水流在启程之初受到了各不相同的外界影响，即便这种影响极其细

    微。随着河水不断地迂回前进，一个个“点坝”(point bar)出现了。点

    坝指的是河曲带内侧的泥沙的沉积。河道外岸被不断地侵蚀，越来越多

    的泥沙被带到了河道内岸，这些沉积最后形成了小型的沙滩。

    最终，其中的一个河曲越来越弯，形成了一个环形，河流遂截弯取

    直，由较笔直的新河道流走，留下一个与主河道平行的独立的半月形

    湖，湖形似于牛轭，称为牛轭湖(oxbow lakes)。如果站在河边，很难

    看清这些水流的演变过程——但是在飞机上看就方便多了，你能看见还

    处于树状的年轻溪流，迂回的河曲还有那些演变中的或是发育完成的牛

    轭湖。

    世界上有很多的牛轭湖在形成没多久后便消失了，事实上，地球上

    已经少有不受人类影响、百分之百天然的景致了，这听上去还挺不可思

    议的吧。也有一些广袤的沙漠、森林、苔原和荒原还是未被开发的处女

    地，不过一旦有人类在附近定居下来，它们就会被开发利用，欧洲的发

    展过程就是一个最好的例子。即便是看起来充满自然气息的乡村，也是

    因放牧和其他一些农业活动的影响才变成了现在的样子。

    虽然乡村景致有一些与生俱来的特征，不过在飞机上，我们更容易

    看出哪些样貌是浑然天成的，哪些是经过人类活动后改造的。你也许会

    看到不同的梯田，有些修建于中世纪或年代更加久远，先民们用梯田进

    行坡地耕作。或许，你还会看到两种风格迥异的田埂。那些陈旧、面积较小、不规则的围场通常出自大自然之手，而那些大型的、更加规整的

    农田则是现代农业的产物，为的是使农耕机械发挥出最大的功效。第三章 探索地形地貌你居住的城镇是如何发展起来的

    当你在低空飞过成片的住宅时，你可以看到街道大致的结构，观察

    一下那些规划成熟和那些正处于发展中的城镇，它们之间的区别十分有

    趣。历史悠久的城镇是由一些交错的小巷演变而来的，它们的排列遵循

    了自然界中物质生发的形态，呈现出发枝树木或树状溪流的样子。通

    常，人类依山傍水而居，江河提供了水源和沟通的媒介，而山脉则保障

    了安全，因此溪流江河或山脉的形态决定了一处人类定居点的雏形。从

    空中俯瞰，你所看到的街道结构会是许多的弧线，树枝一样的分叉和迷

    宫一般的图形。

    随着时间的推移，土地逐步被改造规划以符合城镇发展的需要。在

    一张现代城镇的平面图上你会看到一些人工的河道，溪流江河穿越而

    过，你还会看到许多排列整齐对称的街道。在这方面，美国有些城市更

    加极致，它们看上去就像一排排整齐划一的方格坐标图，现代社区的街

    道也采用了同样工整对称的形态。若将一个乡镇看成一个整体，将那些

    街道看成是树叶的脉络，然后试着去领会它的形状。在你眼中，它更像

    自然之物，还是更像人为的设计成果呢？

    一般来说，若从空中俯瞰，年代越久远的村落城镇就越呈现出贴近

    自然有机体的形态。当然，也有一些例外——比如说那些高档的城郊开

    发区，它们模仿了发展中乡镇的雏形，展现出更多的自然之态，不过即

    便如此，也无法抹去人为规划的痕迹，因为它们的排列和结构都太过完

    美了。混沌的分形在自然界中无处不在，建筑师们一直在极力模仿，却

    发现困难重重。第三章 探索地形地貌绵延不断的海岸

    计算海岸线的长度

    假如你从岛上起飞，比如英国，不久你将会经过海岸线。观察一下

    那些视野范围之内延伸的海岸。你觉得它有多长呢？现在，用一些我们

    熟知的物体就可以进行测量，如汽车、房子和工厂，这取决于你所在的

    高度。大致上，汽车长4米，一栋独立的住宅对角线约10米，一座普通

    的工厂或是一座大型购物中心的占地直径则在100米至200米之间。 这

    是一个不错的机会来实践一下之前提到的估测距离法(第61页)，将已

    知物体与处于一臂之远的参照物来比较一下吧。

    沿着海岸线画一条虚拟的直线，测出直线的长度，你大概会用这种

    方法来估测机窗外海岸线的长度了吧，但是，这个方法真的可行么？如

    果要深入到每一个小海湾和小海岬，那又会有什么不同呢？这样一来，海岸线的长度将大大增加。

    这是一个缩小版的“英国的海岸线到底有多长”的问题。你可以选择

    相应计量单位计算出英国海岸的最小周长，此时，小于该量规的海湾和

    海岬就会被忽略而不被计入在内，但是，所采用的量度越精密，海岸线

    显露出的细节就越多，而海岸线长度也将趋于无穷。理论上来说，至少

    是在数学上，海岸线可以是无限长的。无穷无尽的海岸线

    做这个实验，你得准备一支笔和一张纸。如果你的手不能保持稳

    定，那最好就用一下尺子。画一个大大的圆(你可以沿着盘子边缘画一

    个完美的圆，不过即使没有盘子，画得不圆，也不要紧)。在圆内画一

    个等边三角形——等边三角形的三条边长度相等，使三角形的三个顶点

    尽量接近但不碰到圆的外围。现在，以各边的中间长度为底边向外画出

    另外一个等边三角形，其边长是前者的13。(要画出这样一个图形，你可以将大三角形的边平分成3段，然后，以中间那段为基础画出新的

    小三角形。)

    接下来，以同样的方式在第二层小三角形向外的两条边上画出更小

    的三角形——它们是以第二层三角形两条边的中部为底的三角形，方向

    朝外，边长是前者的13。重复相同的步骤继续画下去，想画多少就画

    多少。图9 科赫曲线(Koch curve)的雏形

    为了达到最明显的效果，你需要以第一个三角形为基础，在其三条

    边画出向外的第二层三角形，然后再以第二层三角形向外的各边为基

    础，画出向外的第三层三角形，周而复始。

    你所画出的这个图形被称为科赫曲线(Koch curve)。这种图形很

    有趣，因为它包围着有限的面积——它永远都在圆圈里面——但是，随

    着三角形的层层增加，科赫曲线的周长却不断变大直至无穷。

    英国的周长和科赫曲线类似。第一个三角形的周长小于其外圆形的

    周长，但是随着褶皱部分的增加，它的长度将趋于无限。和发育中树形的溪流江河一样，实验中画出的科赫曲线也是一种分

    形。观察一下你就会发现，这种曲线的每一个子集都与整体缩小后的形

    状类似，具有相同的结构。科赫曲线之所以能有无穷大的周长是因为它

    是一种抽象的数学图形。与科赫曲线相比，英国(或是任何岛屿)的海

    岸线还是有些不同的。尽管在测量岛屿周长时，随着测量单位变得无穷

    小，你能计入的迂回弯曲也越来越多，但是这毕竟是一个由原子组成的

    有形的物体。当最终达到以原子量级的尺度为单位时，测量就无法再进

    行下去了。因此，英国的海岸线的长度并非真正无穷无尽——不过，它

    还是能变得很长很长。

    也许以上所述最有趣的地方在于我们不能用一个固定的数值来表达

    距离。我们实在很难说英国海岸线到底有多长。通常，我们总是习惯地

    认为科学能给我们一个明确的答案，不过就海岸线问题而言，在某一范

    围内一系列的答案都是正确的，完全取决于你是怎么测量的。海岸线有

    多长？没有唯一正确的答案。第三章 探索地形地貌无法抗拒的重力

    我们之前看到的江河溪流最终都会流入大海。孩子们(和一些早期

    的哲学家)以为河流总是会流向大海的……因为河流就是应该这样啊。

    这种想法显然是不对的——你能找到一条在海岸附近发源的河流，却朝

    着和大海相反方向的内陆流去。现实中，河流都只往低处流。它们只能

    往低处流——因为它们受到重力的操控。对重力的认识非常重要，这不

    仅能帮你理解河流的流经路径，而且你飞行体验的安全舒适也都仰赖于

    它。坦率地说，人们对各种各样力的认识总是有所偏差。

    力场(force field)

    在这个实验中，你需要将一只球抛入空中。如果你在飞机上，用纸

    球也行(不过别抛得太高了)。轻轻地把纸球抛向空中，它向上运动几

    英尺，然后下落，被接住。观察纸球的抛落过程。实验几次，试着找出

    纸球的抛落过程中的三个阶段——纸球在空中做上升运动，达到上升运

    动的顶点，然后落下回到手中。

    思考一下纸球运动的每个阶段。纸球离开你的手飞向空中，然后达

    到飞行的顶点，最后中途折回下落，这三个阶段中，如果忽略空气阻

    力，纸球分别受到哪些方向的力呢？

    每个运动阶段中，如果不计空气阻力，纸球都只受到唯一一种力的

    作用，这听起来有些不可思议。这就是竖直向下的重力。的确，你的手

    给纸球施加了一些向上的力，不过，从纸球离开手的那一刻起，唯一作

    用于它的力就只有向下的重力了。这意味着，在整个旅程中，纸球都在

    向下加速。从纸球被抛出的那一刻起，在加速度的作用下，它向上的运

    动速度就开始变慢了，而向下的速度则变快。当纸球到达飞行的顶点时，它就停住了。不过此时没有平衡的力能

    使纸球一直保持静止状态。它依然受到使它向下加速的力。同样，在下

    落过程中，纸球依旧受到向下的力并且明显向下加速。

    如果这不是你最初的设想，也不要感到困扰。在一份针对科学老师

    的问卷调查中就曾经出现过这个问题(当然，他们大多不是物理学

    家)，大部分老师的答案都是错的。任何物体当它开始运动时，比如你

    的飞机，我们都有必要了解一下其中所牵涉的关于力的知识。

    在重力面前，我们毫无选择余地。重力永远都竖直向下(更精确地

    说是指向地心的方向)。因此，在重力的驱使下，水往低处流。一般情

    况下，海洋是本地大陆的最低处，这意味着，无论怎样河流终将入海。

    不过，也存在着这种情况：陆地上有一处地势很低。这样的话，水将会

    汇积于此。

    如果仅仅只有一支小水流汇入此地势低处，而蒸发和渗透的水量又

    大于等于流入的水量，水流不断汇集于此形成湖泊。否则，水平面将不

    断上升，最后从周围地面的最低点满溢出来，形成了一条全新的自主成

    形的水流，朝着地势更低的下游流去。第三章 探索地形地貌从河流到海洋

    河流入海时，许多河流会在河口形成三角洲。三角洲的形成是一个

    缓慢的过程，日复一日，河水挟带的泥沙在入海口沉积下来。三角洲的

    主要类型有扇形三角洲、鸟足形三角洲和尖形三角洲。河流注入海洋

    时，水流向四处扩散，动能显著减弱，流速也慢了下来。这意味着河水

    所挟带的泥沙分离并沉淀了下来，形成一片向海面伸出的平地，外形像

    英文字母V，日积月累，沉积平地不断向前推进，最终形成了三角洲。

    不过，不是所有的河流都能形成三角洲。许多河流的入海口更加宽

    阔，与海洋的分界线也没有那么明显，入海口中某个区域的水介于海水

    与河水之间。在这种河口处通常会形成泥滩或是一些时而会被海水淹没

    的开阔的区域。

    人们经常用盐水与淡水之间的区别来表述海水与河水的不同。的

    确，如果你尝一口海水，它给你留下大致的印象就是咸咸的味道。但是

    现实中，海水本身并不含盐。它的成分包括钠离子和氯离子(当然也含

    有一些其他的成分)。离子是指原子失去或得到一个或几个电子而达到

    的稳定结构。钠离子比钠原子少了一个电子，因此带正电，而氯离子比

    氯原子多了一个电子，因此带负电。

    钠本身是一种不稳定的金属，遇水会发生爆炸反应。几乎所有的钠

    在自然界中都以化合物的形式存在。化合物是由不同种类的原子组成的

    分子。(分子可以由单一种类的原子组成，如氢气分子是由两个氢原子

    组合而成的。)海水中的钠离子来自于如硅酸钠之类的岩石(硅酸钠由

    钠、硅和氧三种元素组成)和碳酸钠(碳酸钠由钠、碳和氧三种元素组

    成)。河流入海的旅途中，沿途的碳酸钠溶解于河水中，被带入海洋。

    海水拍打岸边那些含钠的礁石，也会将钠带入海洋。

    氯也是一种能产生剧烈反应的元素。它是一种绿色的气体，有剧

    毒，第一次世界大战中的化学毒气战中就出现过它的身影。(人们用氯化合物给游泳池消毒，氯能使人中毒也能消灭大多数细菌。)海水中的

    氯离子大多来自海底火山和排气孔洞，它们向海水中喷射大量的化学物

    质。在普通的海水中，氯离子和钠离子漂散在水中，它们既不和海水中

    的其他离子发生反应，相互之间也不结合。但是，海水蒸发时，离子的

    密度变大，带正电的钠离子吸引带负电的氯离子，两者结合在一起，形

    成晶状的氯化钠，通常我们称之为盐。第三章 探索地形地貌水，到处都是水

    假如是远距离飞行，你也许会在水面之上飞行很长一段时间。地球

    表面百分之七十几的面积都被水覆盖，这占到了地球表面的三分之二还

    要多。从太空中看，地球最显著的特征就是水。这玩意让整个星球看起

    来都是蓝色的。以整数计算，地球上的水有14000000立方千米之多。这

    个量太大了，你或许难以对此产生确切的概念。1立方千米相当于

    1000000000000公升的水。(你想象一个水做的立方体，它的每条边的

    长度都是1千米。)

    那么，为什么我们总是不断听人谈到水资源短缺呢？为什么非洲的

    很多地区会因为缺水而造成农作物歉收呢？将地球上的水按人头来算，我们每人分到的水量是0.2立方千米。说得更精确点，人均得水量是

    212100000000升。

    如果将你分到的水装进1公升的容器中，这些容器堆起来差不多有

    10000000千米——这个高度是地球与月球之间距离的26倍。按照每人每

    天消耗5公升水的合理的标准来算，地球上的水能用116219178年。而

    且，这还是基于水消耗了就不会再回来的假定下。实际上，许多被我

    们“消耗”过的水很快就能循环回来，以后还能使用。

    当然，现实情况远比我们刚才展示的要复杂得多。日常生活中，我

    们每天的用水量远不止5公升。一个普通的西方国家的居民每天会用

    5000至10000公升的水。我们用水洗澡——浇灌草坪或是冲厕所——不

    过现有最耗水的还是加工人类日常消费的商品和食物，它远远超过个人

    用水量。仅仅是生产1只汉堡的肉饼就要消耗3000公升水，而制造一罐

    一公斤咖啡的整个过程需用水20000公升。

    尽管如此，即便每天人均用水10000公升，在没有任何形式水循环

    利用的前提下，我们拥有的水还是足够使用57000年。那么，水资源短

    缺又从何而来呢？虽然地球上水资源丰富，但是大部分的水很难为人类所用。有些水被冻结在冰川中或是蕴藏在地底，但是，到目前为止，大

    部分——占地球总储水量97%——的水都在海洋里，在你飞行的旅程中

    你将可能看到它们。

    对于任何一个拥有海岸线的国家来说，获得海水并不难，不过想要

    利用它却是件很费钱的事。事实上，像英国这样的岛国宁愿花巨资修建

    水库收集淡水，却不用唾手可得、取之不尽的海水，这说明将海水转化

    为可饮用的淡水的海水淡化过程是多么昂贵。水资源短缺实际上就是能

    源短缺。如果有足够的廉价能源，我们就能将大量的水运送到适当的地

    方，用最少的成本将海水淡化。

    当你飞越大西洋、太平洋或是类似的海洋时，你能直观地感受到地

    球的水资源是多么的丰富。飞机以每小时超过800千米(约500英里)的

    速度飞了一个又一个小时，而你目及之处都是海洋。不过海水并不是一

    成不变的。即便身处高空，你还是能看到白花花的浪头和海水变换丰富

    的色彩，从最明亮的蓝色过渡到绿色、灰色甚至黄色。大海无边无际，不过它们绝不是一片死气沉沉、单调无聊的水面。第三章 探索地形地貌不等人的时间和潮水

    海洋对地球最大的影响之一就是潮汐。几千年以来，人们一直困惑

    于海平面一日两次的涨落，这究竟是什么原因造成的呢？受到地球绕着

    太阳转这种新鲜理念的启发，伽利略确信涨潮落潮是地球运动的产物。

    他认为在地球急速环绕轨道运动、同时自身也旋转的情况下，海水被推

    向一侧，就如同飞速行驶的汽车在转弯时，乘客也会被甩出去一样。伽

    利略将潮汐作为地球绕着太阳转的主要论据。不过这个论据也有一些小

    小的缺陷——按照伽利略的理论，每日只有一次潮水，而事实上却有两

    次。

    一些与伽利略同时代的科学家猜测是月亮引发了潮汐，因为海水的

    涨落与天空中月亮的位置有着某种巧合。他们认为月光给水施加了某种

    神秘的影响。不过，有人提出在月亮被云层遮覆时，海水还是涨落如

    旧，因此，这种说法最终被淘汰了。如今，我们知道潮汐是由太阳和月

    亮的引力导致的。

    受太阳的影响，地球上有了四季变换，不过这里我们先撇开太阳不

    说，月亮不知疲倦地影响着我们，地球上才出现了潮汐。试想一下，地

    球和月亮高悬于宇宙之中。地球的引力吸引着月亮，而月亮也同样牵扯

    着地球。离吸引你的物体越远，你所受到的引力就越微弱，因此，地球

    上靠近月亮近的地方受到月亮的引力就越强，反之，离月亮越远受到的

    引力则越弱。

    这意味着，地球上面向月球的海水暴涨，朝天空中月亮的方向掀起

    高涌的潮头。而地球的另一侧，由于离月亮较远，海水受到月球的引力

    相对微弱，产生离心的趋势，因此在背向月球的海面也形成隆起的潮

    头。这些潮汐追随着天空中月亮的位置，横扫整个地球表面。

    如果月亮表面也存在水的话，相应的，地球引力将使这些水迸发出

    惊人的威力，生成24小时一刻不停的海啸。地球的重量大约是月球的80倍，而重力的大小与物体的重量成正比。重量加倍，重力也随之加倍。

    所以，假设两个星球的水量一样，地球引力引发的月球潮汐的能量将是

    月球引力引发的地球潮汐的80倍。

    假如你听说过月球表面的重力是地球表面的16(回想一下那些宇

    航员在月球表面弹跳着行走的画面)，那么，80倍的说法听上去就似乎

    有些夸大了。地球的重力只有月球的6倍，那么，为什么地球的吸引力

    会是月球的80倍呢？

    图10 月球引力产生的潮汐

    这是因为，吸引你的物体的质量和你与物体中心之间距离的平方还

    决定了重力的大小。月球的质量是地球的180，而它的半径比地球的小

    了3.6倍。因此，如果你站在月球表面，你与月球中心的距离要比地球

    上你与地心之间的距离小3.6倍。这意味着若两个星球质量相等，你在

    月球上受到的重力将会约是地球上的13倍(3.6×3.6)。加上月球只有地球180的质量，你在月球上所受到的重力将会是1380——差不多是

    地球上所受重力的16。第三章 探索地形地貌风口浪尖处

    和潮汐不同，海面上波光粼粼的浪花并非出自月亮之手，而完全蒙

    太阳所赐。太阳的光和热导致了气候的形成与变迁，包括风，风又促成

    了浪。(海啸是个例外，它是由地震和山崩引起的，但是，绝大多数的

    浪都是在风吹拂海面时形成的。)

    迷你浪花

    在玻璃杯中注入34的水。猛摇玻璃杯(如果你在飞机上，小心别

    把水溅在邻座的身上)。杯中的浪和海啸的浪类似。剧烈摇晃促成了这

    种浪，如地震。这些浪夹杂携着大量海水，横扫海面。

    接下来，把嘴凑近杯壁，朝水面轻轻地吹一口气。你将会看到水面

    上泛起微微涟漪。这些被称为风成波(wind wave)，是一种海面上最

    常见的浪花。

    留心观察一下海浪，你会觉得它们一直在向前涌去，其实这是一种

    错觉。如果这些常见的海浪真的像它们看起来那样一直向前运动的话，它们将向内陆行进得更远，就像海啸那样以摧枯拉朽之势，越过海岸

    线，横扫岸边的城市和村庄。那些岸边或是海面中央常见的海浪带动水

    流以环形的方式运动，水流翻滚着朝上涌去，形成浪尖，接着又冲入海

    面之下，四下迸溅开来，开始新一轮的循环。海浪似乎是在往前移动，水流则上下循环不息——但其实，大部分海水都还待在原来的位置。

    许多浪头在海边看得清清楚楚，但若从机窗看下去，就不是那么明

    显了，这是因为海水几近透明，尽管它不停变幻出各种形态，但却叫人难以察觉。在空中，我们能看见的大多数浪被称为破碎浪(breaking

    wave)，也叫做碎波(breaker)或是白浪(white horse)。这种浪在海

    岸边更为常见，因为随着水深变浅，水流更容易迸溅——不过在海面中

    央你也能看到白浪。

    随着海浪不断涌向高处，它离迸溅的那一刻也就越近。海浪越高，与海面形成的角度就越陡峭，浪头涌到最高处最终开始翻转着盖压下

    来，这一刻水花四溅，整朵浪花瞬间崩裂了。这种现象时常发生在浅

    海，因为，当浪花奔向岸边时，没有足够的深度能让海面以下的水流顺

    畅回流。我们之前提到了波浪中的水流是以画圈的方式上下运动的，离

    岸近时，水深变浅，圆圈压缩变小，因此水流被推动着朝天空翻卷。

    水的深度也会影响水流行进的方向。想想那些拍向岸边的海浪。为

    什么它们总是朝着岸边涌来，哪怕风向相反也还是逆风而来。水深变浅

    不仅改变着波浪的形状，还影响它们前进的方向，促使它们涌向大陆。

    海浪迸溅不只发生在岸边，海面上很多区域都看得见，只要振幅

    (浪的高度)够大。在开阔海面上，若有劲风持续吹上一段时间，白浪

    也会出现在大海中央。在浪头坍塌的瞬间，水流从平缓状态转为湍流

    (我们之后会谈到湍流)。崩裂的浪头狠狠砸入海中，湍急的水流夹带

    着大量的空气直冲入海面之下，产生白沫，这就是我们把破碎浪叫成白

    浪花的原因吧。第三章 探索地形地貌海是什么颜色的？

    大海的颜色变幻莫测。当我们把许多截然不同的物体都跟“海”这个

    词扯上关系时，你大概也不会觉得有什么不妥吧。正如我们用“陆地”一

    词来描述许多地方一样，喜马拉雅山脉是陆地的一部分，美国的大峡谷

    也是陆地的一部分。我们通常认为海是乏味单一的水平面——但是，海

    底世界比我们所熟悉的大陆更加丰富多彩。

    例如，当我们说到山，海底就有数不胜数的山。世界上最长的山脉

    不是喜马拉雅山脉和或是安第斯山脉——而是大洋中脊(the Mid—

    ocean Ridge)，这条在水下绵延超过55000千米的山脉，途径大西洋，穿越印度洋，北上太平洋，接近美国西海岸。它比地球的周长还要长

    (它不是一条直线，而是由一系列海底山脉组成的)。说起山脉，夏威

    夷群岛上的莫纳克亚山(Mauna Kea)在海平面以上的高度是4200米，这个高度类似于阿尔卑斯山脉中的一些高山。但是，如果我们追随着莫

    纳克亚山潜入海底到达它的底部，它的高度将达到10200米，在莫纳克

    亚山面前，8800多米的珠穆朗玛峰也显得相形见绌了。

    尽管由于它的海底部分，莫纳克亚山被冠以地球上最高山峰的称

    号，不过，这的确要看我们是如何定义山了——因为在海洋中，存在着

    许多更加雄伟高耸的山峰。位于菲律宾东侧的马里亚纳海沟(Mariana

    trench)是现今为止发现的海洋最深的区域，海沟最大深处为海平面下

    11000米。相比之下，1830米深的美国大峡谷就如同一道地表浅浅皱痕

    了。

    从高空放眼海面，海底的高低错落将会导致海水颜色深浅不一。在

    浅海区域，海床的颜色会直接影响海水的明度——有时它们是闪耀的白

    沙，有时又是漆黑的火山碎片或是任何别的物质。岸边的海水呈现出明

    快的蓝色，虽然有时也掺杂了一些青绿色、绿色还有灰色。对现代人而

    言，我们所知道有关大海颜色最古老的描述来自于古希腊作家荷马笔下的“暗酒色”(wine dark)——这听上去似乎很笼统，因为古希腊人通常

    以亮或是暗来区分颜色，而没有按照光谱给每个颜色具体命名。他们的

    语言中没有“蓝色”这个词，因此，类似红酒的深色阴影就被用来描述海

    的颜色了。

    有一个现象导致了所有的水看上去都是蓝色的，就连覆盖着白沙的

    海床也发出幽幽的蓝光。当光线射入水面时，其中的红光更容易被水分

    子吸收，这样一来，反射回我们眼中的光线就带上了一种蓝色调。大海

    也会反射天空的颜色——灰暗天空之下的大海也暗沉得叫人害怕。另

    外，水中的漂浮物也会影响海水的颜色。

    不是所有的海洋都是清澈透明的。英国周边的海就呈现出暗沉的灰

    绿色，这主要是由于海水里夹杂着诸如海草和海藻之类的各式生物以及

    一些细碎的泥沙。英国周边的水域也不全是这样灰暗。当然也有海滩，外赫布里底群岛(Outer Hebrides)附近就有海滩，当你飞经其上空时，你会看到明媚如同热带海岛一般的色彩。

    当飞越海洋时，你也有可能会经过某些海域，其中海水的颜色打上

    了过多的人类烙印。太平洋中漂浮着全世界最大的垃圾场。在海水水流

    的作用下，漂浮的垃圾聚集起来，漂浮在夏威夷群岛不远的两侧海域，它们被称为西太平洋垃圾带(Western Pacific Garbage Patch)和东太平

    洋垃圾带(Eastern Pacific Garbage Patch)。漂浮在垃圾场(那些垃圾密

    集得都可以称得上岛了)中的物体，预计总重量在1000万吨之上，它们

    聚集在一起，形成了比德克萨斯州还要大的垃圾区。在北大西洋和印度

    洋中也存在类似的垃圾带，只是规模要稍小一些。第四章 云端之上进入云层

    从起飞到现在，窗外的风景美不胜收。不过，航程中的某些时刻你

    可能会钻入云中，从飞机里向外看去好似一切都在云雾笼罩之中，但是

    你终将穿过云层，放眼望去，飞机已被壮丽奇妙的云景所环绕。白天，太阳在云端闪耀，天空总是那么的蔚蓝。飞机不远处，一团团鹅绒似白

    云绵延起伏，直到地平线的尽头，多么壮阔绮丽的景色啊。

    在你穿越云层时，你也许会注意到一些不同种类的云，不过，在我

    们详细介绍它们之前，我们先来了解一下云到底是什么。空气中到处弥

    漫着水蒸气。我们通常认为水壶中喷出的那股蒸气就是水蒸气，但是这

    种想法是有误的。水蒸气是看不见的气体，是气态的水，就如同冰是固

    态的水一样。我们看见的那些所谓的蒸气是水蒸气凝结后重新变为液态

    的水，它们在空气中结成细小的水珠。

    我们都知道100摄氏度下水会沸腾，所以，空气中无时无刻，甚至

    是在常温下都存在着水蒸气这样的说法让人觉得匪夷所思。想想看，常

    温情况下的大海是地球上水蒸气的主要来源。我们在这里所说的温度是

    以物质中分子运动的速度来测定的。温度越高，分子运动的速度就越

    快。不过，温度是一个统计学问题。这并不意味着在某一温度下，任何

    一个分子都以特定速度运动，而是就平均来说，分子的运动速度会与对

    应的温度相匹配。

    自然界中，有些分子的运动速度较快，有些较慢。较之于海面之下

    的水分子，海面之上的水分子运动相对快速因而越发容易扩散到更远的

    地方。有些水分子更为活跃，它们挣脱大海中其他分子的电磁束缚，飘

    散到大气中。如果海洋中所有的分子都这么高速运动的话，海水将会沸

    腾。这如我们上面所说的那样，大海每时每刻都在丢失一些分子——蒸

    发是其中的一种途径——因而，广阔的海面将生成大量的水蒸气。

    因此，水分子一刻不停地向空气中吐射水蒸气。同时，空气中的水分子会重新落回海洋。在任何情况下，水气蒸发和其凝结保持一种相应

    的平衡。我们通过测量空气的潮湿度来计算其中水蒸气的含量。

    空气中的有些水分子会聚集在一起形成小水珠，有些水分子则升到

    高空，在低温的催化下凝结成微小的冰晶。温度变化会产生水珠，不过

    普遍来说，水珠的萌生离不开空气中那些飘浮的小颗粒，诸如沙粒、烟

    尘或是花粉，甚至细菌也不例外——空气中有数不清的细菌，它们也经

    常参与水蒸气的凝结过程。这些小水珠看上去就如水壶喷出的蒸气一

    样，无数这样悬浮的小水珠最终形成了云。

    为什么云朵不会从天上掉下来呢？人们很容易产生这样的疑问，但

    很少有人来解答这个问题。毕竟，水比空气要重。当水溢出玻璃杯时，它们并不会飘浮在空气中。当然，天上的水会以雨滴的形式落下来，那

    么，为什么云不会像雨水那样一滩滩地从天上掉下来呢？

    让人意想不到的是，云的确在下沉。云朵没有什么神奇法力——它

    们如万物一样逃脱不了地球重力的束缚。只不过它们下落的速度非常非

    常缓慢，这是因为组成云朵的小水珠小得让人难以置信——它们的直径

    大概只有一亿分之一米。当物体变得如此微小时，它们不以人们习惯的

    方式运动。尽管重力同样作用于那些看不见的小水珠与普通水珠，但

    是，重力对它们的影响却不同。

    水珠的质量决定了其所受到重力的大小，水珠越轻，受力越小。同

    时，物体越小，受到空气的阻力就越大。云朵中小水珠比雨滴要小，而

    更接近于空气分子的大小，因而它们不断受到空气的影响。就云彩中的

    一粒小水珠来说，空气和它的关系就好比黏稠糖浆和其间的小滚珠。小

    水珠下降一米得花上一年时间。现实中，我们看不到云朵下落，因为即

    便我们有耐心等待，云朵也无法存在这么长时间。

    云朵的颜色各不相同。我们通常都认为它们是白色的，因为它们反

    射掉大部分的光——但它们不如金属那般刺眼，而像冰块那样柔和，看

    起来毛茸茸的。稀薄的云层会染上天空的颜色，尤其是在日出和日落时分，你通常都能看见红彤彤的彩霞。另一些云则明显要灰暗许多，从灰

    色到黑色都有。

    现实中的云最暗淡的也不过就是灰色，不过在眼睛和大脑的综合作

    用下，它们的颜色看上去要比实际灰暗得多。同样的事情发生在你注视

    一幅夜空的图片或是电视上的宇宙画面时，它们看上去都是黑漆漆的

    ——只是，当你关掉电视时，屏幕的颜色是深灰色的，而节目里播放的

    太空的颜色怎么可能比屏幕的颜色还要深呢？这是你的大脑在捣鬼，它

    误导你屏幕是黑色的。

    云层中，当许多小水滴开始聚集在一起形成更大的水珠时，云朵就

    开始变暗了。这意味着更少的光线被云层表面反射，有些甚至被云层吸

    收，使它看上去愈加灰暗。小水滴聚集在一起，数量越来越多，体积也

    越来越大，最终形成雨滴落了下来，所以，我们通常将乌云看成暴风雨

    的前兆。第四章 云端之上观云历险记

    云可以分成不同的种类。这是由云朵所处的高度、形状以及它们的

    密度决定的。(理论上来说，云朵的种类和它们如何运动、变形有关，不过在我们粗略的介绍中这部分内容会省略。)不同种类的云能帮助人

    们进行气象预测，不过就算你不带任何目的观察它们，也会感到乐趣十

    足。准确来说，云的种类繁多——差不多有52种，不过为了方便理解，我们将它们简化为10种。最起初的分类系统将云分成三科。它们是卷云

    (cirrus)(来源于拉丁单词“头发”，接着演变成wispy，表示稀薄的

    云)、积云(cumulus)(很显然表达了“一堆堆”或是“堆积”的意思)和

    层云(stratus)(表示“一层层”或是“一大片”)。

    这套早期的分类方法是由伦敦气象学家卢克·霍华德(Luke

    Howard)于1802年制定的，风景画家约翰·康斯特勃(John Constable)

    继续了卢克研究，开展了大量的有关云的探索。后来，在1896年，人们

    根据云的基本形态将它们划分为9种，并以数字1到9命名。后来，人们

    对这个分类进行了修改，加入了第10种云。不过再后来，负责对云编号

    的世界气象组织又以数字0到9对它们进行编号。

    世界气象组织对之前编号的修改是出于一个令人意想不到的理由，它甚至带有几分浪漫色彩。分类中的第9号云(后来很短一段时期内被

    改为10号)曾经是积雨云(cumulonimbus)。尽管这种云由于底部离地

    面很近而被划分为低云，但是其云体浓而厚，高耸如山峰，积雨云云顶

    高耸，远高于其他的云。如果有机会能停留在积雨云的边缘，你会有一

    种站在世界之巅的感觉——“在9号云端”(on cloud nine)这个短语表达

    就由此而来。世界气象组织认识到，如果他们把9号云改成10号的话，那就太让人扫兴了，因此，他们撤销了原来的修改方案。第四章 云端之上一路奔向9号云

    让我们来认识一下那些从机窗中就能看到并且容易辨认的云朵吧。

    离地面最近最近的云叫做层云。这些云看起来像一大片薄雾，也像一张

    灰压压的大毯子，在某一水平面上平铺开去(雾气能到达地面，而云不

    能)。层云中有一个分支叫做碎层云(stratus fractus)，云体为不规则

    的碎片，它的底部比主体部分的层云更加接近地面。层云飘浮在离地面

    几百米的低空，飞机起飞后一会儿工夫就将穿越层云。

    第二类低云是积云，它是地面观云者们的最爱。孩子们的拼贴画

    中，用一丛丛的白棉花拼贴出的简单图形就是这类云朵。阳光加热地面

    空气，导致暖气流上升，在离地面600米的空中形成了积云。上升的暖

    气流夹带着水蒸气、花粉和细菌，这些物质促成了云的形成。

    积雨云在空中的高度与积云差不多，但是云顶垂直向上发展得更加

    旺盛(只有最高耸的云山才能被称为9号云，那些较小的只能被叫做3号

    云)。云顶能向上生长18千米，几乎是飞机巡航高度的2倍。积雨云的

    云顶不如云底来得浓厚，通常整朵云呈现出近似于铁砧的形状，这就是

    酝酿着暴风雨的“云砧”(thunderhead)。

    最后一类低云被称为层积云(stratocumulus)。其中的一种层积云

    呈现出积云上升后平展而伸的形态，看上去好似团团的棉花被扯平了，中间还出现一道道的缝隙。最普遍的层积云云块也是所有种类云朵中最

    常见的，它们有的成片，有的成条，成群成行地排列成一大片，像薄薄

    延展开来的棉花絮，缝隙处可以看见蓝天。不过它们比棉花絮略厚一

    些，排列也更加均匀，与层云比起来它们质地更加厚实，在空中所处位

    置也更高。

    当飞得更高些时，你会看见高层云(altostratus)，它们和层云形态

    相似，薄薄的一大片，但却漫无定形，只是它们在空中出现的位置更高

    些。高层云很薄，透过它们，可以看到太阳或清晰或模糊的轮廓。也有些高层云较厚，颜色也是阴雨灰暗的，很明显，一场大雨正在酝酿。一

    般来说，高层云分布在1000～2000米的空中——只是飞机需要穿越的诸

    多云层中较低的那些。较厚的高层云还有另外一个名字，叫做雨层云

    (nimbostratus)——当高层云变成雨层云的时候，降雨就开始了。(雨

    通常都来自雨层云。)

    有时，高层云与积云类似，只是位置略高些，不过从形态上来说，它们看起来与层积云更加相似，像一大片被撕成一条条的棉片。

    最后，我们接近最高的云层了，它们将伴随着你升到高空(环顾四

    周，可以看到大片大片的积雨云的顶部)。此时，你已经身处20000英

    尺(约6000米)的高空了，这里的云不再是由小水滴组成的了，而几乎

    都是冰晶。从机窗向外望去，你时常能看到卷云——它们纤细似缕缕绢

    丝，一丝丝地划过大半个天空。有些卷云形似一个卷曲的逗号，通常，当云丝排列成长长的一缕缕时，就表示大风即将临近。这些像母马尾巴

    一样的小钩钩多半是风雨天气的前兆。

    卷层云(cirrostratus)是另一种高空云，和卷云一样，它们形成于

    6000多米的高空。和卷云不同的是，卷层云像一张白色的云幔，云幔两

    端边缘清晰。卷层云的周围通常都会出现卷云，不过，卷层云如一张巨

    大的云幕，可以部分或全部遮蔽天穹。

    最后，我们来认识一下卷积云。它们同样是一种高层云——有时会

    出现在14000米的高空——它们通常呈人字纹路，排列成行或成群。有

    的卷积云的云块很小，看上去像是高空版的层积云。

    我们看到，这类云朵能够衍生出许许多多的子类，外加一些样子古

    怪的云——它们有的甚至像乳房——当出现强劲的下降气流时，层积云

    和雨积云底部会出现一些向下隆起的肿包。(不过，要把它们看成乳房

    还是需要相当丰富的想象力的，因为它们也可以被想象成其他的圆形物

    体。)第四章 云端之上彩虹的尽头没有一坛金子

    尽管虚无缥缈，云朵的确真实地存在于自然界中，不过，在飞机

    上，你或许也能看见一些并不存在的幻象。如果能与彩虹邂逅相遇，那

    是极其幸运的一件事——因为彩虹是一种奇妙的景致。当强烈的太阳光

    射向空气中聚集的雨滴时，彩虹就出现了，因此，彩虹产生的前提是有

    雨，同时有阳光，当阳光从你背后射来，照射到你前方的雨滴时，彩虹

    就出现了。

    接着，每颗雨滴都成了一面镜片或是棱镜，回忆一下，棱镜的工作

    原理是我们在中学科学课堂上就学过的。和棱镜的原理相同，雨滴表面

    的弧面会以不同的角度反射阳光——不同颜色的光，穿越水滴时弯曲的

    程度也不同，因此，白花花的太阳光就被分解成迷你彩虹了。当这束多

    彩的光线穿越水滴内部到达其后部时，有些光会折射入空气中，有些则

    被重新反射，到达雨滴前部，然后又被反射回来，当它再次到达雨滴尾

    部时，更多的光线折射进入空气中，形成了清晰可见的彩虹。

    阳光只有从某一特定角度照射到雨滴上，才会产生清晰可见的彩虹

    ——阳光会以不同角度入射水滴，在水滴内也是以不同的角度反射，当

    两者角度在42度左右时，反射最为强烈，此时，你将会看见一座清晰的

    七彩虹桥。雨滴能形成圆形的彩虹，不过，地平线会将它们一分为二。

    不过在飞机上，你就能看到完整的圆形彩虹了。只是，遇见42度角的几

    率并不大，因此，彩虹的颜色通常都会偏淡——不过你还是能看到圆形

    的彩虹。如果彩虹恰好横跨于云层之上，这种情况经常发生，你将在虹

    圈正中的云朵上看到飞机的影子，十分的奇妙。

    彩虹并不存在——它源于光的投射，是无法触摸的，而彩虹也造就

    了一系列能在飞机上看到的景致，有些甚至被误认为是外星飞行物，这

    些你都能在飞机上看见。有一些彩虹的变体被称为晕，它们中间为阴

    影，四周环绕着一圈多彩的光环，只是，它们比彩虹小，出现的原因是阳光从各个角度照射水珠。通常，飞机机窗的多层玻璃会扭曲物体原本

    的样子，或是制造出一连串悬浮在空中的光斑，这是移动的机身在阳光

    下反射形成的。在机窗之外，还有许多虚无缥缈却真实存在的物质，它

    们制造着一幕幕绮丽的视觉盛宴。第四章 云端之上飞越冰冻的海面

    我们了解到组成云的物质可以是小水滴，也可以是冰晶。但是，海

    面之下又是怎样一番景象呢？海水永远都是液态的么？大家都听说过冰

    山吧，冰川崩解，大块大块的淡水冰跌入海中，随着海水一路漂浮，对

    过往的船只造成巨大的危害。当海水的温度降至零下1.8摄氏度时海水

    本身也会结冰。尽管现实中，海水流动不息，避免了海水冻结，但在足

    够低的温度下，海水也是会结冰的。不过，地球两极海面上漂浮的冰块

    大都是由海水结成的。

    美国科幻小说家库尔特·冯内古特(Kurt Vonnegut)的小说《猫的

    摇篮》(Cat's Cradle)中曾经出现过一种十分特殊的冰，9号冰(Ice

    Nine)。库尔特笔下的这个9号冰是冰晶的一种，它特性稳定，只有在

    114华氏度(45摄氏度)的温度下才会融化成水。如果水一旦变成9号冰

    晶的状态，常温下就会被永远冰冻起来。9号冰晶一旦被扔进大海或湖

    泊，哪怕只有一丁点儿，它们将不受控制地四处蔓延开来，将所有的水

    源都冻住，地球面临大难。

    幸运的是，9号冰并不存在(虽然这个创意不错)，不过，的确有

    一种在极低温度下生成的冰，人们给它取了个与9号冰类似的名字——4

    号冰(Ice Ⅸ)。只是，这种冰在常温下不稳定，而且对我们的水资源

    也不会造成任何的伤害。第四章 云端之上朝阳光飞去

    现在，大海和地面被层层的白云遮盖，渐渐从你的视野中消失了。

    如果此时正处于白昼，放眼望去，机窗外尽是明媚的蓝天和夺目的阳

    光，不过，如果你正经过一大片形如铁砧的积雨云顶部的话，那就另当

    别论了。

    绝对不要尝试的实验——砸碎机窗玻璃

    在飞行过程中，有一些实验是你绝对不能尝试的。其中的一项就是

    看看砸碎机窗玻璃会有什么后果。你是否对电影中类似的场景深信不疑

    呢？那些没有系好安全带的人被强大的气流吸起，甩到窗边，毫无抵抗

    之力，而那些坐在窗边的倒霉鬼则飞出窗外，毙命于空中。

    现实中的结局和电影很不一样(不过，即使这样也不能去砸窗

    子)。首先，想要砸坏机窗可没那么容易。虽然窗子的内层只是一层脆

    弱的塑料，但是它的外层却坚韧至极。就算你能成功地在窗上挖出一个

    小洞，机舱内的气压还是能保持相对稳定，绝不会在顷刻间爆炸，急速

    坠落。假设你不择手段将整个窗子都卸了下来，那么当然，飞机将瞬间

    失压。氧气面罩会弹出，飞行员会立即降低飞行高度(15000英尺左

    右)以确保乘客安全，不过在这个过程中，你一定不会感到舒适。体积

    较小的物体也许会被吸出窗外，不过，这种事情不太可能会发生在乘客

    身上。

    不管怎样，我们还是要强调这点——千万别跟窗子过不去。弄坏机

    窗除了会给你带来不舒适的感官体验(更不用说要赔偿巨额的修理费，这可是一台价值连城的飞机啊)，仅仅是破坏未遂的这个事实就能给你

    扣上恐怖袭击的指控，把你送进大牢。这样看起来，一旦飞到云层之上我们貌似就没什么可看的了，不

    过，机窗外，无数奇妙的科学好戏正在开演。第四章 云端之上飞往日心的旅程

    首先，我们正沐浴在日光之中。此刻，太阳与你之间的空气变得稀

    薄，太阳从未像现在这样清晰明了地展现在你眼前，不过浑浊的机窗也

    许会妨碍你看到这完美的景象。别直接用肉眼看太阳——人们通常不这

    么做是有一定原因的，因为这会对眼睛造成永久性的伤害。就算太阳部

    分被遮盖时，若直视，眼睛也会被迅速灼伤——每次发生日全食时，医

    院都会接收许多眼睛受伤的病人，有些人的视力再也无法恢复到从前

    了。

    除了使人类摆脱永久的暗夜之外，阳光带来的远比这要多得多，虽

    然远离黑暗对我们来说也很重要。阳光需要花8分钟到达相邻的地球，它的热量使人类能够生存。它推动了气候系统的运转。它滋养着处于食

    物链低端的植物和藻类，它参与制造了供人类呼吸的氧气。如果没有太

    阳，地球上也许就不会有生命的萌发。

    同样因为有了太阳，在它与空气的共同作用下，天空才会是蔚蓝

    的。如果你是一个20世纪的飞行者，你也许会有过这样的飞行经历:大

    白天飞行，外面的天空却几乎是黑色的，这也证明了天空的蓝色是阳光

    和空气共同作用的结果。协和式飞机飞行的高度能达到60000英尺，这

    个高度的空气十分稀薄，窗外的天空也比在普通飞机上看到的明显暗淡

    许多。如果有机会乘坐维珍银河号太空船(Virgin Galactic)来趟太空之

    旅，你会发现虽然太阳发出耀眼的强光，但四周的天空仍是一片漆黑。

    既然提到协和式飞机，我们就附带地说下，对于那些确信科技将会

    以加速度发展的人来说，这种飞机的出现无疑是一个深刻的教训。

    让我们来回顾一下人类出行的历史。起初，人类受脚力之限，每小

    时只能走3～4英里，之后我们在马或是船的帮助下，提高了行驶速度。

    到了19世纪，火车的出现让时速最低50英里(约相当于80千米小时)

    成为了出行的常态。接着进入20世纪，坐飞机出行使速度大增，我们以每小时500英里的速度(约800千米小时)在空中穿梭。

    对于除了飞行员之外的其他人来说——基本上，这就意味着我们所

    有的人，如果想体验20世纪最快的速度，那就试试协和式飞机吧，它的

    时速能达到1350英里(约2170千米小时)，是声速的2倍，相当惊人。

    不过，就目前来说，我们还是只能坐着时速不超过500英里的普通飞机

    出行。有时科技的发展会进入停滞期，至少在某一时间段内是这样的。

    也许未来还会出现超音速飞机——制造商们总是会有层出不穷的新点子

    ——协和式飞机从一开始接到上百架的订单到最终被停飞，这样的事实

    说明了对速度真正的限制并不主要来自于科技，而是来自于政治意志。第四章 云端之上为什么天空是蓝色的？

    假设你坐的不是维珍银河号太空船，白天飞行，望出机窗外你能看

    到蓝天。“为什么天空是蓝色的呢”这是孩子们在成长过程中最爱问的问

    题之一，而通常，他们得到的答案都和事实有所偏差。有人说天空反射

    了大海的颜色所以是蓝的，但其实不是。在维多利亚时期，人们认为是

    空气中的尘埃和颗粒使其染上了淡蓝的色调——不过事实上，把天空染

    成蓝色的物质更加微小，它是空气分子和阳光作用的结果。

    可见光是由各种颜色混合而成的，查验彩虹的光谱时，我们可以看

    到它从红过渡到紫。艾萨克·牛顿(Isaac Newton)发现了彩虹中有七色

    (赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，不过它们之间的分界却很难界定。

    查看完整的光谱，你会觉得它要么是由上百万个差别甚微的色彩组成

    的，要么只包括了5～6个宽幅的色带——几乎没人能看出彩虹有7种颜

    色。

    我们不清楚牛顿是怎么得出7这个数字的，这其中还包括了那些深

    浅不一的青和紫，不过许多人认为7这个数字和音乐有着一定的联系。

    乐谱中有A到G7个音符，当一个八度结束后，下一个八度又从音符A开

    始。有人猜测，牛顿受到乐谱的影响，认为可见光谱中也应该有7种颜

    色，于是他就发明了这套说法，而我们只能被迫接受了。令人惊讶的

    是，以这样的形式命名光谱是不可能的。牛顿出生几年之前人们才开始

    用“橙”这个词来表示颜色，在此之前，它只是一种水果的名字。

    牛顿向人们展示了太阳光(彩虹也一样)包括了光谱中所有颜色的

    光(有一些是我们看不见的)。在牛顿生活的那个年代，人们相信彩虹

    斑斓的色彩是棱镜中的瑕疵造成的，因此，白光被染上了其他的颜色。

    但是，牛顿分离出单一的颜色，并把它射向第二个棱镜，它的颜色没有

    改变，这说明棱镜不是“罪魁祸首”。牛顿还发现将不同的光颜色组合在

    一起就能制造出白光。阳光中包含了所有的颜色。阳光中不同的光子释放出不同的能量，当它们混合在一起穿过空气

    时，一些光子被空气分子中的电子吸收。很快，它们又被重新释放，朝

    各个方向发射出去。这样的“散射”意味着通过空气的光线会有一部分偏

    离原来的运动方向而离开了原来的光束，它们的光子在空中四处扩散。

    不同能量的光子散射的程度也不同。能量较高的光子(光谱中位于

    蓝色末端)更容易发生散射。这意味着，除了太阳本身之外，经过空气

    分子散射后的光线都呈现出蓝色，所以天空就变成蓝的了。光谱中位于

    红色末端的光线散射能力较弱，夕阳西下时，由于斜照，光得经过很厚

    的大气层才能到达地球，这些红色的光线因为不像蓝光一样易于散射而

    损失最小，因此天空便被染成了红色——这就是为什么日出和日落时天

    空会挂满红霞。第四章 云端之上为什么太阳能一直发光发热

    孩子们总是把太阳画成橘黄色，但是，如果阳光不与空气发生反

    应，它事实上是一种白光。但令人困惑的是太阳被认定为一种黄色的星

    球。这是因为虽然阳光涵盖了光谱中所有的色彩，牛顿的实验也已经证

    明了这个事实，但是其中黄色光的比重最大。牛顿曾尝试着使阳光穿过

    棱镜，而光束瞬间幻化成七色的彩带。

    太阳表面5500摄氏度左右的高温导致了它现有的颜色。如果你觉得

    这个温度还不算高的话，那太阳中心的温度将达到1500万摄氏度左右。

    我们在这里谈论的太阳可是一个巨大无比的家伙——它的直径大约为

    1.4万千米，是地球直径的100多倍；而它的重量差不多有2.0×1027 吨,是地球重量的33万多倍。

    是什么让太阳一直燃烧呢？在很长一段时间内，人们都对此感到困

    惑。维多利亚时期的科学家们曾经计算过与太阳体积相同的煤球能燃烧

    多久，他们认为太阳的燃烧时间只能持续几百万年，这远远小于地质学

    家估测的地球的存活时间。量子理论研究的是微观物质世界，如原子的

    基本规律。只有对量子理论有所了解，我们才能明白太阳的运行机制，弄清为什么它在活跃了45亿年后依然生命力旺盛——而45亿年只是太阳

    预测寿命的一半。

    太阳的能量来源于其内部的核聚变。所有原子中最小的氢原子的原

    子核(原子的核心部分)发生核聚变，形成更大的氦原子。(古希腊语

    中，“helios”表示太阳，人类最先在太阳上发现了这种之后被人们用来

    吹气球的物质，于是将之命名为helium(氦)，后来人们在地球上也发

    现了氦，人如果吸入氦气，说话的声音就会变得又细又尖，十分滑

    稽。)在聚变的过程中，质量很小的物质将转化出巨大的能量。多亏了

    爱因斯坦将这个质量转化成能量的过程用一个简单的公式描述了出来：

    E=mc2 。这里的“c”指的是光的速度，它本身就是个天文数字，所以光速的平方意味着一丁点儿物质所转化的能量该有多么的巨大啊。仅仅1

    公斤物质产生的能量相当于一座大型发电站6年的发电量。

    人类想尽一切办法来获取能源，但是在太阳面前，任何发电厂、核

    电站等统统都显得微不足道。每秒钟，太阳内部有将近400万吨的物质

    转化成能量——这是发电站运行240亿年才能输出的能量。或者这么来

    说吧，这相当于756000万亿座发电站同时工作时产生的能量。如果我们

    将这756000万亿座发电站平铺在地球上(包括陆地和海洋)，每座发电

    站的平均对角线长还不到1厘米。

    太阳释放出来的大部分能量将进入太空，只有一小部分到达地球使

    我们生存下来。到达地球的能量仅为890亿兆瓦，还不到太阳释放总能

    量的十亿分之一——尽管如此，它仍然是现有地球消耗总能量的500

    倍。不过，当科学家们最初认识到太阳的工作机制并且进一步研究其持

    续发光发热的原因时，他们发现了一些奇怪的事情。就发生核聚变的条

    件来说，太阳内部本不该发生这种反应的。

    这么说是因为太阳内部的那些氢原子核只有紧密地挤在一起时，聚

    变才能产生，且必须得聚集得非常非常紧密才行。而原子核是带正电荷

    的，带正电的原子核之间相互排斥，就像两块磁铁磁极相同的两端凑不

    到一块一样。而且，当两个原子核距离越近时，它们之间的排斥力就越

    大。就算是太阳中心的炽热与高温也无法促使氢原子核积压在一起以实

    现聚变。太阳本应该是枚“哑炮”。第四章 云端之上穿越量子隧道

    太阳能够正常运转全都仰赖于古怪的量子物理。那些像原子一样微

    小的物质，它们的活动方式和我们所熟知的一般物体不同。比如，原子

    不像球或桌子一样，它们不会待在固定的地方。从一定的概率上来说，只要处于某个特定的范围中，它们就可以存在于宇宙的任何角落。离这

    个范围中心越远的粒子就越不容易被发现——不过，它们的确可以躲在

    任何地方。

    这意味着，如果你把一个原子放在盒子里，之后你发现它已经跳出

    盒子出现在盒子另一侧，这个可能性虽然不大但是绝对存在的。这就好

    比你把车停在车库，第二天早晨却发现它已经自己翻过了车库的围墙，出现在车道上。(前提是，你的车是由量子粒子组成的，理论上来说，这样的量子车可以自己翻墙，不过现实中这种事情是不可能发生的，因

    为所有的原子在同一时间发出相同跳跃动作的几率是很小的，自从宇宙

    形成以来，这种情况从来没发生过，而且将来也不会发生。)

    粒子穿越某一障碍，而出现在另一侧的过程被称为量子力学隧道效

    应(quantum mechanical tunnelling)。太阳中的大部分氢原子核都待在

    它们该待的地方，但是偶尔也会有那么一两个氢原子核穿越了那道使它

    们不能和其他氢原子聚合在一起的排斥力，来到与它们相邻近的氢原子

    附近，于是聚变就产生了。虽然这种情况发生的概率不大，但是太阳中

    的原子不计其数，还是有大量氢原子能够“翻墙”成功，保证了氢原子源

    源不断地摇身变成氦原子。

    云层之上，太阳看起来比起地面上更加明亮闪耀，即便如此，我们

    还总是会低估它的威力。就如我们前面看到的那样，这座无时无刻不在

    发生核反应的大火炉高悬空中，滋养着生命万物。(事实上，没有太阳

    地球也不可能形成，因为太阳的牵引力在地球形成初期至关重要。)

    太阳距离我们大约150000000千米。这意味着，阳光8分钟才能到达地球，一如重力，目前我们认为重力的能量是由引力子(graviton)作

    为载体将能量传递到无限远处，就像光以光子的形式传播一样。假设某

    一天太阳突然消失了，在最初的8分钟内，我们很难对此有所察觉。我

    们会觉得太阳依然在那儿，因为8分钟前的光子和引力子还是会穿过太

    空到达地球。而8分钟过后，地球上才会失重而且陷入无边的黑暗。第四章 云端之上穿过飞机航道

    在空中某一时刻，你很有可能会看见其他的飞机。飞机在空中飞行

    须遵守严格的规则以便与其他飞机保持一定的距离，不过每架飞机都有

    特定的航线，这让航空交通管制轻松了许多，而你也可以在空中看见其

    他的飞机了。飞行高度和一些其他条件决定了飞机间需要保持的距离，有些飞机虽然看起来离得不远，不过在上升阶段，它们之间至少要保持

    300米(约1000英尺)的垂直距离，对于处于巡航高度的飞机来说，它

    们间的垂直距离至少要有600米(约2000英尺)。

    如果两架飞机间的水平距离能达到3～5英里(约5～8千米)的话，以上的规则就不适用了。在这种距离下，飞机可以在同一水平面上飞

    行。

    那架飞机离你有多远？

    下一次如果与其他飞机相遇，你可以试试之前说过的估测距离的方

    法(见第61页)。一般来说，一架飞机的长度在30～70米之间。我们就

    假定它为50米吧。如果你通过手臂测量法得出，那架不远处的飞机为4

    个圆珠笔尖那么大——大约是4毫米。250个4毫米就是1米，12500个4毫

    米就是50米。因此，你与另一架飞机间的距离等于你眼睛到手臂的距离

    的12500倍。这相当于0.75米的12500倍——差不多是9000米。当然，这只是一个估测的距离——根据30～70米不同的飞机长度，那架飞机将

    会位于你的5600～13000米之外。

    虽然严格的航道管制能使飞机间保持一定的距离，不过，现代飞机上都配备了防撞机系统来确保航道规则的实行。大部分飞机上都装有飞

    行警报和防撞机系统(TCAS)。TCAS会向其他也装配了相同系统的飞

    机发出信号来获得它们的位置。每架飞机都配备了一种叫做发射机应答

    器的装置，这是一种能发出无线电信号的全自动的信号发射器。因此，当发射器接收到其他飞机的请求时，应答器就自动开始工作，向对方播

    报自己的位置。这样一来，对方飞机就能知道附近有哪些飞机以及它们

    的位置了，一旦发现危险，就能第一时间通知飞行员，避免空难。第四章 云端之上留在空中的足迹

    不论你是否邂逅另一架飞机——也许自离开机场后的整个航程中你

    都没有看到其他飞机——你还是有机会知道其实它们曾经打哪儿经过。

    如果你仰头看看天空，经常能看到一些笔直细长、犹如薄云的东西，它

    们跨越天穹，好似空中的通道。

    这些是尾迹，是飞机排出的小水珠留下的痕迹。你乘坐的飞机或许

    就刚经过一条尾迹附近，或是横切着穿过了它，虽然你也不确定那架飞

    机到底朝哪个方向飞去了(除非你看见了它)，但它的行踪已经一览无

    余了。尾迹会随着时间的推移变得越来越淡，这是视觉上判断飞机飞行

    方向的最佳线索。尾迹靠近飞机的那头较为浓厚，甚至可以看到好几条

    由不同的引擎喷射出尾迹，它们将最终交汇在一起。

    尾迹实际上是术语“凝结尾迹”(condensation trail)的缩写，这是美

    国人的叫法，英国人则称之为“水汽尾迹”(vapour trails)。两种叫法之

    中，凝结尾迹这个名称更为准确。因为你看不见水蒸气，它们是气态的

    水，完完全全是透明的。只有尾迹幻化为小水滴或是冰晶时，我们才能

    发现它们的存在。简单来说，凝结尾迹是一种人为产生的、形态特殊的

    云带。

    要弄明白尾迹的来历，我们得回过来了解下飞机引擎是怎么工作

    的。燃烧室内燃烧着航空燃料。暂且不说那些杂质，航空燃料是由碳氢

    化合物混合而成的。尽管碳氢化合物是大分子物质，不过它们终究只是

    由两种最基本的元素组成的——氢元素和碳元素(因此被称为碳氢化合

    物)。当这种碳氢化合物燃烧时，碳原子和氢原子与空气中的氧原子结

    合在一起。我们所谓的“燃烧”实际上是一种化学反应，是某物质与氧气

    结合，然后释放出热量的过程。碳原子与氧结合释放出温室气体二氧化

    碳，而氢原子也参与了进来，它们成双结对地与氧原子守在一起，形成

    了水(H2 O)。在燃烧室里的高温下，水蒸发为气态，接着，它们从飞机的尾部被

    排了出去，与冷空气接触，水蒸气遇冷凝结成小水滴或是冰晶(如果气

    温足够低的话)。不过凝结尾迹的形成也会受到一些条件的限制。首

    先，水蒸气遇冷凝结成水珠需要一定的时间，因此，尾迹形成的位置会

    离开飞机尾部一段距离。其次，尾迹很少出现在10000英尺以下，因为

    越往高处，气温就越低，而只有在足够的低温环境中，水蒸气才能在消

    散前迅速地凝结。

    理论上来说，每个引擎都能拖出一条长长的尾迹，如果你离那架飞

    机足够近的话，你就能看见它们。但是，不久之后它们就会交汇在一

    起，起先，每个机翼下方会出现两条尾迹，它们会合并成一条(如果这

    架飞机有四个引擎的话)，接着这两条尾迹又会在飞机尾部汇合，形成

    一条长长的白色云带，就像我们在地面上看到的那样。当飞机处于低空

    时——远远低于凝结尾迹形成的高度——你会看到机翼顶端出现薄薄

    的、浅淡的白烟。有时这些白烟会惊吓到机舱内的乘客，因为他们会以

    为飞机着火了。不过，你所看到的这些既不是着火时产生的烟雾，也不

    是我们之前说到的凝结尾迹。

    这是机翼翼尖拉出空气漩涡形成的别样的视觉效果，这种螺旋状的

    气流尾迹是飞机的机翼产生的，这也是为什么飞机在降落过程中需要与

    其他飞机保持一定距离。这些涡旋状的尾迹和普通的尾迹不同，它们是

    由飞机机翼边缘的低压区导致周围空气冷凝而形成的。组成这种涡旋状

    白雾的不是飞机引擎排放的小水珠，而是空气中本身存在的水汽。在低

    空中，空气湿度较大，水汽也更多。第四章 云端之上机舱之外还有生命么

    你也许会认为，机舱外唯一有生命存在的地方就是另一架飞机了，其实，机窗的另一侧，仍有另一些生命悄然存在。有一种生物我们接触

    的最多，那就是细菌。细菌不仅仅能作为凝结核，聚集起水汽，形成云

    雨，而且它们非常非常轻，能随气流飘散到几英里之外。人们在城市上

    空发现了多达1800种不同的细菌，而且，人们发现在20000米的高空中

    也有细菌存在，这是普通飞机巡航高度的2倍。

    有少数昆虫也能攀爬到这样的高度。通常我们认为在昆虫界中，大

    黄蜂(bumblebee)就是这项爬高纪录的保持者。这种生物能生存在海

    拔18000英尺的喜马拉雅山脉上，现已证实在实验室条件下，它们的飞

    行高度将近30000英尺。尽管大黄蜂能应对飞机搅起的气流，但它们总

    是在山脉周围活动，所以你很难看到这些嗡嗡作响的家伙儿打窗口飞

    过。

    在飞行中，你倒是能看到一些鸟儿。大部分鸣鸟的活动范围在2000

    英尺的高度，而水鸟则徘徊于4000英尺左右，有些鸟儿甚至飞得更高。

    人们通常认为，迁徙鸟类中斑头雁(bar—headed goose)飞得最高，靠

    着气流的推动，有些斑头雁一天就能飞行1000英里。不过，它们只有升

    到30000英尺的高空才能 ......