【推荐1】气象万千尽收“眼”底

曾庆存　胡　非

①北京冬奥会、冬残奥会目前圆满落下帷幕。赛场上，冰雪健儿不断超越自我；赛场外，各个方面的工作人员辛勤付出，保障赛事顺利进行。这其中，就包括精确全面的天气预报。相比夏季奥运会，冬季奥运会有更多的比赛项目在户外举行，所以受天气影响更大。这使得冬奥会气象保障，特别是精细化的局地天气预报极为重要。但北京冬奥会却做到了“百米级、分钟级”预报：空间覆盖冬奥赛区百米网格，每隔10分钟更新。比如高山滑雪赛道区域横跨2.5公里，起点到终点的直线距离约2.25公里，海拔落差近1 000米，预报员需对这个范围内的风速、风向、温度进行非常精准的气象预报服务。这项工作的出色完成，保障了比赛的安全进行，获得国际奥委会和运动员高度认可。

②不仅是冬奥会的精细化天气预报，近年来我国天气预报准确率不断提升，这都离不开数值天气预报这一技术。

数值天气预报，让天气预报定量、客观、快速

③数值天气预报是指根据大气实际情况，在一定的初始和边界条件下，通过大型高速计算机作数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学方程组，以此预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。这一方法将描写大气运动的数学物理方程组、计算机等新技术和人类经验融在一起形成合力，实现“1＋1＋1>3”的效果。如今，应用数值天气预报技术，天气预报业务可从初始时刻起，预报未来最长达7天的天气。

④过去人们观天，目见风起云涌、云收雨散，积累一定经验后，可知道一地某些天气变化规律，从而进行预测。自古以来，就有“朝霞不出门，晚霞行千里”等谚语。最著名的例子是《三国演义》中诸葛亮巧借东风，其实就利用了长江中下游地区冬季也有可能刮东风的经验。和经验气象预报相比，数值天气预报有定量、客观、快速的优势，是一次巨大飞跃。方程、计算机、数据是其三大要素。数值天气预报用方程定量预测天气，比耳目所感、经验积累，更准、更具规律性。不过，相关方程非常复杂，计算量巨大，需要使用计算机才能快速预测天气。比如暴雨将至，若是人工计算，可能还没算出结果雨就停了。所以，超级计算机的发明使得数值天气预报成为可能。数据来源主要是气象监测系统，除观测站的数据外，现今主要是气象卫星和雷达遥感数据，数值天气预报要将这些数据汇集在一起作为初始条件。在特定地区还得考虑该地区的边界条件，尤其是地形、地面情况。比如预报某河流附近天气，就得考虑地形甚至融入上游数据，在沿海地区还得考虑海洋的影响。如广东省数值预报中心利用先进技术，提前5 — 6天，准确预报出2021年第22号超强台风“雷伊”的复杂移动路径，为灾害天气下的社会安全保障提供有力科学支撑。

⑤随着社会发展，人们对天气预报的要求越来越高，其应用前景十分广阔，除常规气象保障业务外，还在许多重大工程、重大活动中有广泛应用。

气象预报，____________________

⑥有人会问：气象能不能预报得更准？能不能预测未来一年甚至几年的气象？科学家们也是怀揣着这样朴素而远大的目标，推动气象预报测得更准确、更长远。未来，数值天气预报将进一步发展，其中集合预报、地球系统模式是重要发展趋势。

⑦集合预报是在数值预报模式结果基础上进一步统计操作，是提高天气预报准确率、克服不确定性的有效手段。俗话说，众人拾柴火焰高，集合预报就循着这样的逻辑展开。不同模式的预报结果，同一模式不同时刻的结果，都会有不同。将它们综合起来进行“专家会诊”，比单一预报更为准确。如今，集合预报已普遍使用，但还有很大的提升空间。

⑧能否让气象预报报得更长更远呢？这涉及两个概念：天气和气候。天气指的是短时间的大气现象，如一天之内；而气候指的是范围较广的地区在较长时段(如一个月、一个季度、一年等)的统计平均状态。气候预测就是预测下一个季度或半年，甚至更长时间大气现象的平均状态，此时就得适当考虑海洋和陆地生态环境的影响，综合地球整体情况。近20年来，地球系统模型的研究，使得科学家能进一步探索全球范围更长时段的气象变化，以及相关的环境生态变化，这就是地球系统模式。

⑨地球系统模式的原理与数值天气预报模式类似，同样利用超级计算机求解数学物理方程，但要复杂得多。为此，我国正在建设地球系统数值模拟装置。它是支撑地球系统模式必备的大型设备，由高性能计算机硬件和众多计算软件构成。利用这一装置，我们可以进一步研究地球系统模型，有望对地球的过去进行反演、对现在进行模拟、对未来进行预测，我国气象领域工作者们将继续合作研究、协力攻关，化气象的未知为已知，用气象预报和地球环境预报的新技术、新成果助力经济社会发展。

(原文有删改)

寻找三体人的“水滴”武器

①刘慈欣的科幻小说《三体》中，三体人之所以能奴役地球，是因为它们拥有一种非常厉害的武器——“水滴”。“水滴”能撞碎所有物质，它的硬度超乎想象：“水滴”撞穿地球，就如子弹穿过面包一样轻松随意。“水滴”超硬不是胡思乱想出来的，而是依照物理研究成果做出的合理构想。

②物质是由原子构成的，原子能再分解为原子核和电子。原子核还能再分解成质子和中子，合称核子。核子还能再分吗？以前是不能分的，可是用电子对撞机后，核子可以分成更小的粒——夸克。那么，夸克还能再分下去吗？从目前的技术手段来看，无法再分了。

③夸克是如何组成物质的呢？夸克可以相互结合，形成复合粒子。物理学家进行了大量研究发现，宇宙中的夸克组合居然都是“三个夸克组成质子”“两个夸克组成中子”的模式，没有发现“四夸克组合”“五夸克组合”或是更多夸克组合的复合粒子。难道不存在这些夸克组合吗？科学家提出了假说：宇宙中应该存在“四夸克组合”“五夸克组合”或是任意夸克组合，只是限于人类的见识“太短”，尚没有发现而已。

④科学家又进一步从理论上推理出“四夸克组合”和“五夸克组合”的特殊性质：这两种夸克组合中的夸克之间保持着极其恰当的距离，这种距离恰好能产生强力。强力、电磁力、弱力、引力并称维持宇宙存在与运行秩序的四大力，这四种力决定了物质的硬度。如果把电磁力给予物质的硬度指数定为1，那么弱力和引力给予物质的硬度指数可忽略不计，也就是说，如果没有电磁力，只有弱力或是引力的话，物质就软得拿不起来，几乎是没有硬度。而强力给予物质的硬度指数却是100。

⑤“三夸克质子”和“二夸克中子”中的夸克们因为距离不合适，不会相互产生强力，所以质子、中子组成的物质都是普通物质，它们的硬度由电磁力提供。而“四夸克组合”与“五夸克组合”中夸克之间的距离恰好能相互产生强力，这种物质的硬度由强力提供，比普通物质硬100倍。

⑥说到这里，“我们就明白“水滴超硬”的奥秘了：“水滴”由“四夸克组合”“五夸克组合”或是更多夸克复合粒子材料制成，这种材料称为“强相互作用力材料”，它的硬度由强力提供，所以坚硬无敌。

⑦其实，2013年科学家就在北京正负电子对撞机上就发现了四夸克粒子，2015年清华大学教授又发现了五夸克粒子。这些都是在实验条件下发现的。此外，科学家还一直在宇宙中寻找“天然”的四夸克、五夸克或是更多夸克复合粒子。科学家推断，找到大量的四夸克、五夸克复合粒子只是时间问题，而找到它们之后，制造“水滴”这种超硬的宇宙武器就要由幻想变成现实了……

（选自《知识窗》 有删改）

细菌发电前景广阔

①生物学家预言，21世纪将是细菌发电造福人类的时代。

②说起细菌发电，可以追溯到1910年。英国植物学家利用铂作为电极放入大肠杆菌的培养液中，成功地制造出了世界上第一个细菌电池。1984年，美国科学家设计出太空飞船使用的细菌电池，其电极的活性物质是宇航员的尿液和活细菌。到了80年代末，细菌发电有了重大突破，英国科学家让细菌在电池组里分解分子，释放电子向阳极运动，从而产生电能。操作时还在糖液中添加某些芳香化合物作为稀释液，来提高生物系统输送电子的能力。与此同时，还要往电池里不断地充入空气，用以搅拌细菌培养液和氧化物质的混合物。据计算，利用这种细菌电池发电，其效率可达40％，远远高于现在使用的电池的效率，且能持续数月之久。即使这样，还有10％的潜力可挖掘。

③利用细菌发电原理，可以建立较大规模的细菌发电站。计算表明，一个功率为1000千瓦的细菌发电站，仅需要10立方米体积的细菌培养液，每小时消耗200千克糖即可维持其运转发电。这是一种不会污染环境的“绿色”电站，而且技术发展后，完全可以用诸如锯末、秸秆、落叶等废有机物的水解物来代替糖液。因此，细菌发电的前景十分诱人。

④现在，各个发达国家各显神通，在细菌发电研究方面取得了新的进展。美国设计出一种综合细菌电池，里面的单细胞藻类可以利用太阳光将二氧化碳和水转化为糖，然后再让细菌利用这些糖来发电。日本科学家同时将两种细菌放入电池的特种糖液中，让其中的一种细菌吞食糖浆产生醋酸和有机酸，而让另一种细菌将这些酸类转化成氢气，由氢气进入磷酸燃料电池发电。

⑤人们还惊奇地发现，细菌还具有捕捉太阳能并把它直接转化成电能的特异功能。最近美国科学家在死海和大盐湖里找到一种嗜盐杆菌，它们含有一种紫色素，在把所接受的大约10%的阳光转化成化学物质时，即可产生电荷。科学家们利用它们制造出一个小型实验性太阳能细菌电池，结果证明是可以用嗜盐性细菌来发电的，用盐代替糖，其成本就大大降低了。由此可见，让细菌为人类供电已经不再遥远，不久的将来即可成为现实。