《河馬食堂》水的重要性

《河馬食堂》水的重要性


◎河馬教授(台大生物環境系統工程學系教授張文亮)

密度的奧秘
水是一種非常有趣的東西,自然界有些重要的物理或化學的法則,是許多物質所遵守的,惟獨水不遵守。水的特性,讓許多科學家「跌破眼鏡」,水是最平凡,又是最奇妙的東西,讓這世界許多聰明的人,百思不得其解。不過幸好水不遵守自然界的這些常規,否則所有的生物都無法生存。例如,在自然界的物質,溫度愈低其密度就愈高,水的密度隨溫度的降低,而增加濃度,但是降到4℃時,密度為最大,4℃到0℃結冰,溫度雖然降低,水的密度反而降低。幸好,水的密度不是在結冰時最大,否則在冬天時,結了冰的水會沈到水底,表面的水則繼續結冰,又往下沈…如此整個海洋、湖泊、河川從水底到水面都會結成冰塊,沒有一條魚,沒有一棵水草能夠長在冰塊裡,整個水域變為毫無生命氣息的沈寂。

但是事實不是這樣,結了冰的水,因為密度比4℃時的密度小,所以是浮在水面上,而不會沉到水底。水面上結了冰,就會隔絕水與冷空氣的接觸,冰結到某一個厚度後就會停止。這樣底下的魚類仍然可以生存於嚴冬之下,即使在終年冰天雪地的南北極,企鵝仍然可以在冰塊底下找到豐富的魚群為食物。為什麼水會有這種奇妙的特性,幫助生命的生存,這是科學家無法回答的,全世界祗有水有這種特性,其他物質都沒有這種特性。

由4℃到0℃,水結成冰以後,因為密度降低,冰的體積反而膨脹了十分之一,所以在海上看到冰山要提高警覺,因為浮在海上的冰山祗佔全部冰塊體積的十分之一,另外有十分之九是沈在水底,曾經不可一世的鐵達尼輪船,就是一時大意,被冰山撞沈的。

漁場的所在
當水的溫度愈低,水中溶解的氧氣會愈多,當水的溫度愈高,流過赤道水中的營養物質會較多,這包括水中浮游性有機物也較高,這些有機物是來自陸地溪流帶下來的。當海水中含氧氣較多的寒流,遇上含營養物較多的暖流,在交會之處有豐富的營養物供魚類攝食,又有較多的氧氣供魚類呼吸作用(respiration),常成為世界上魚類最多的地方,如在加拿大海邊的「拉不拉多」漁場。

另外在溪水與海水的交會之處,淡水中的有機營養物與海水中較高的溶解氧氣相混,也會使河口或是感潮之處成為另一個漁場。例如台北縣的淡水河是大漢溪、新店溪與基隆河匯合而成的,這三條支流遭到台北工業、都市廢水所污染,在中下游又黑又臭,除了大肚魚與吳郭魚之外,很少見到其他魚類的蹤跡。但是一到淡水河關渡附近,受到海水的影響,水裡的魚又多起來了。在淡水河口迴游的魚有很多種,例如花身雞魚、大鱗梭、黃鰭鯛、白帶魚、大眼海鰱、銀紋魚鯛、短嗜魚、七星鱧魚、虱目魚、烏魚等。

水的流動
水在常溫之下是液體,到了100℃才會達到沸點,這是大家都知道的事。但是在常溫之下,怎麼會是液體呢?水的分子量是18 g/mole,即每一摩爾數的水分子數(6.02×1023個),有18克重,但是分子量34 g/mole的硫化氫(H2S),沸點是—59.6℃;硒化氫(H2Se)的分子量是81 g/mole,沸點是—42℃,所以在常溫之下,硫化氫與硒化氫都是氣體,這是自然界的另一個規則,分子量愈高,分子彼此的作用力高,要把分子的距離拉開,使每個分子能自由移動比較困難,所以分子量愈高,沸點就愈高。結果水又違反了這一個規則,分子量比硫化氫的分子量低,沸點卻高達100℃,水在地球上大部份以液體的形式存在,使得水在地球的表面能夠移動來移動去。

中國有句諺語:「如江河下百川」,有時「一江春水向東流」,都是証明水容易在地面上移動,水也可以由地面移動到地下去,所以有俗語提到「覆水難收」,表示潑出去的水就不易收回來,甚至說「河水不犯井水」表示在地面上與地底下流的水還不相通,其實地面水與附近的地下水是相通的,祗是地下水的流動較慢罷了。水在不同的地方,有不同的移動速度,成為人將來要管理水、使用水的重要課題,水多的地方容易淹水,我們會希望這種水趕快流走,水少的地方,容易產生乾旱,我們會希望水流慢一點。因此讓水能流快一點,或是流慢一點,成為人類文明的重要活動。

有一個讓水能流快一點的人,是中國的古代君王大禹;有一個能使流水流進四川盆地,滋潤大地的人叫李冰。這些歷史上的英雄人物令人敬佩,但是人經常忘了讓水能移動的造物者,更值得敬佩。

水的蒸發
在常溫之下,水雖然是液體,但是在散熱的情況下,水會由液體蒸發成為水蒸氣。生物為什麼需要水,有個重要的因素,是為了蒸發散熱。人打完籃球,滿頭大汗,這就是一種散熱的程序,使得人因為運動所產生的熱量可以散走,如果把打完籃球的人塞到棉被裡面,他一定會非常的不舒服,因為不能散熱。陸地上的動植物與人一樣,都需要水,植物吸取的水份,百分之九十九是用來蒸散水分,以保持本身溫度的恆定。狗在奔跑以後的吐舌喘氣,是一種蒸發水份的散熱。象在大太陽下搖擺耳朵,也是一種散熱,大象的耳朵是血管密布的所在,也是對熱較敏感的地方,所以在菲洲叢林中忽然看到一頭兇猛的大象,搖頭擺耳,仰天長嘯,不用太害怕,大象祗是在給自己散熱。

水的蒸發也是水循環(water cycling)的重要程序,研究水在地球上不同性態的移動變化稱為水文(hydrology)。地球上的水一共有1.38×1018升,其中有97.59%是在海水,2.41%是在淡水,0.001%則成為水蒸氣在空氣裡。不要低估這0.001%的水蒸氣,水能夠長期的使用,人類與生物能夠長期的獲得淡水,這十萬分之一的水是極關鍵的,因為水能蒸發,再藉著雨水沈降,成為主要的淡水源。

水能夠蒸發散熱是自然裡一個非常巧妙的設計,水蒸氣在大氣層中仍然繼續吸收太陽輻射熱,無形中大氣層像是保溫杯的隔熱層,使得太陽的熱量不會很快地自地球表面散走,保持夜間仍然有相當高的溫度。許多人喜歡住在森林或是高爾夫球場邊,因為森林與草地放出的水蒸氣較多,附近的日夜溫差會比較小。

水的表面張力
有些水生昆蟲能夠在水面上自由移動,是水的表面張力,使得水份能夠進入昆蟲的腳毛之間,以張力將水蟲支撐在水面之上。在15℃時水的表面張力是73 dyne/cm,這是一個很大的力,來自水分子與水分子之間的強大吸引力,有這個表面張力,水才能在負壓的情況下,在土壤的孔隙中與植物的導管中移動。怎麼知道這是一種負壓情況下移動呢?

在白天時用小刀將樹幹砍一刀,流出來的樹汁是從篩管中流出的葡萄醣,這是植物的葉子行光合作用的產物,以正壓的情況自樹枝上的葉部向樹根儲存。但是樹木的導管內所運輸的水份,是對抗地球重力,由樹木的根部向樹葉運送,導管內的水必須有足夠的表面張力,才能由下往上移動,如果這時向樹幹潑一些水,水還會被吸進樹裡,這正如剪下一朵花,插在水中,水會逐漸被花吸進去,這証明花朵裡面的水份傳送是在負壓的情況下進行。如果水沒有這麼大的表面張力,植物就沒有辦法生存。

在台灣諺語中「一枝草,一點露」,其實一枝草上不祗有一點露。露來自清晨水蒸氣的冷凝,因著表面張力的作用,而成為一顆顆的露珠,非常的美麗。

水的溶解能力
所有人都知道廁所的馬桶,是用水去沖的,無論大便小便,都可以沖乾淨。「為什麼要用水沖呢?」,不知道你有沒有被這問題困擾過,難道用沙拉油不行嗎?效果不會這麼好。用水沖排泄物的好處是水很容易流動,並且很容易與尿相混合,所以自古以來,水就是人類保持「清潔」的最佳用品,在維持公共衛生上,貢獻重大。

水是自然界最具溶解性的液體,許多物質都能夠溶解在水中,這對生物是一個很重要的特性。水必須能夠溶解許多營養份,如鈣、鎂、鈉、鉀、鐵、氮、磷等,才能攜帶這些物質進入生物的細胞,提供生理代謝所需要的基質。在物質界,水能溶解許多礦石,才能改變地貌,化育土壤,風化岩石。事實上植物生長所需要的土壤,與水的溶解性具有密切的關係,在缺乏水的地方,岩石的風化祗能由岩石變成大石頭,由大石頭變成小石頭,由小石頭變成砂子,這些是物理性的風化。砂子要再轉變成更小的坋粒(silt)或是黏粒(clay),需要有水參與,產生化學性的風化,與一些生物性的促進。而坋粒與黏粒是構成土壤具有保水功能與吸附營養份的主要角色,植物也因此才能存活。有水,萬物才能欣欣向榮。

水的比熱
水的比熱是1 cal/g℃,表示增加1克的水攝氏1度所需的熱是1卡路里(cal),這是一個表示物質是否容易改變溫度的單位。比熱大的物質,溫度愈不容易改變。

比熱的大小與分子量有關,一般分子量愈大的物質,比熱愈大,但是水例外,水的分子量是18 g/mole,其比熱是1 cal/g℃,但是分子量有34 g/mole的過氧化氫,比熱才祗有0.58 cal/g℃,反而比水還要小。

水的比熱大,這對於生物的存活極具貢獻,例如人體內約有80%~83%的水,所以周圍的氣溫改變時,人才不會忽冷忽熱,因為要改變水的溫度是不容易的。石頭裡面的含水量很少,所以石頭周圍的溫差怎麼改變,石頭的溫度就怎麼改變。

水的美觀
中國人講「仁者樂山,智者樂水」,水對人類有一種天然吸引力。人們看到一片汪洋的舒適,看到一條瀑布的驚喜,走過一條小溪的喜悅,躺在一條河邊的平靜……那是流行娛樂與大眾媒體所無法取代的。因此人會努力保護海洋,或是一條可能不太有經濟價值的小溪,人會在公園中挖小池塘,在花園中設噴水池。水給人精神層面的滿足,是無法用科學去明白的。但是科學可以幫助大自然,留下更多的水域,淨化更多的老化湖泊,防止溪流岸邊的土石滑落,給人更多的空間去親水、近水。相反的,誤用的科技,完全被私慾扭曲的科學,也可以把人類所喜愛的水污染殆盡。

正確的善用水,抑或錯誤的浪費水,其關鍵就在是否真正地認識上蒼賜給我們地球上水資源的價值了。

本文經原作者同意轉載,本文轉載自河馬教授的網站

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