【化學大未來】水世界

水是地球上最平凡的物質,卻孕育了生命,成就了人類文明

圖片來源:ballyscanlon @Getty Images

撰文 |張思遠

我們會開玩笑說,不吃不喝。但「不吃」跟「不喝」是不等價的兩件事情。我們可能參加過飢餓三十,但絕對沒有聽說過「口渴三十」;人可以兩個月不進食仍然存活,但不能絕水超過兩週。水約占成人體重的七成,水母體內含水量甚至高達九成以上。雖然一公噸水的價格還遠遠比不上一克拉鑽石,但能夠維持生命的終究是水而非鑽石。水是生命之源,生物不能脫離水而獨立存在。

除了作為生命活動所必需,水還扮演著其他重要的角色。水是終極溶劑,能夠溶解絕大多數物質,吃太鹹喝過辣,遇水而解之,洗碗精和洗衣精,農藥和中藥,造紙和染布,都是運用了水的這個性質。水的溫度不容易被外界「同化」,所以人的正常體溫能夠維持在37℃,換句話說,水能夠吸收大量能量,是天然的冷氣,因為這個特性而被廣泛應用於工業冷卻。「水力」可以發電,而且水本身也可以分解出氫氣來發電。阿里山雲海、合歡山雪景以及十分瀑布都是何其的壯麗,真可謂無水難成美景。水的用途多不勝數,難以逐一羅列。水是那麼地平凡又普遍,但水確實是生活中所不可或缺的物質。

水與生命

在整個宇宙,甚至在太陽系中,地球都不是惟一有水的星球。木星的衛星歐羅巴,表面覆蓋著厚厚的冰層,冰層下為液態海洋,近日更有研究發現其水量與北美洲五大湖相當,另外,海王星的地表可能覆蓋了一層冰,甚至現在地表平均溫度超過400℃的金星,過去也曾經有過水的痕跡。然而,地球的表面有71%被水覆蓋,水占地球質量的0.5%,水量之多,為太陽系八大行星之最。

如此龐大的水量,不是平白而來,而是有一定的「契機」。

在重力的作用下,地球的表面覆蓋著厚厚的大氣。地心引力雖然未能阻止氫氣的逃逸,但成功「抓」住了氮氣、氧氣、水蒸氣以及二氧化碳等較重的氣體,其中,二氧化碳除了提供植物進行光合作用,也是重要的溫室氣體,為地球「保溫」,使得日夜溫差不致於兩極化。除了空氣以外,地心引力還「抓」住了水。唐代詩人李白有詩句:「飛流直下三千尺,疑是銀河落九天」,用詩的意境巧妙詮釋了地心引力的作用,是不錯的教材。因此,自地球形成至今的46億年以來,也就只有少數的水逸散到太空。

與太陽距離的遠近,直接決定熱輻射的多寡。地球與太陽之間,保持著相對適當的距離,因此,太陽到達地球的輻射量,不會像水星的過高(離太陽最近),也不如海王星的過低(離太陽最遠)。然而,行星地表溫度並不全然與距離掛勾,水星在八大行星中最接近太陽,金星次之,如果光從距離來解釋輻射量,平均地表溫度理應是水星高於金星,但實際上剛好相反,說明除了距離,還有其他的因素影響著行星對輻射量的吸收。

地球的地表溫度,主要來自太陽輻射的能量。到達地球的太陽輻射,大部分會被大氣層以及地表冰川、海洋所反射,最後只有小部分為地表所吸收,溫室氣體有助於熱量的保留,而水具有調節地表溫度的作用,種種的因素共同構建出地表溫度。目前地球的地表平均溫度為15℃,介於冰點與沸點之間,所以大部分的水是以液態方式存在,這個溫度範圍對於水和生命都有著非凡的意義。再來比較水星跟金星,水星引力較地心引力弱,故大氣層稀薄,不足以反射太陽輻射,同時缺乏溫室氣體,能量易進易出,造成日夜溫差超過500℃的極端狀況;金星則是因為大氣由大量的溫室氣體構成,能量易進難出,造成終年極端高溫,甚至較距離太陽更近的水星為高。

先前的條件稍有偏差,及後的光景就有可能截然不同,可見,生命誕生的機率是何其渺茫。人類雖然致力於透過水以尋找外太空未知的生命,但直到目前為止,地球仍然是惟一已知有生命存在的星球。

逐水而居

現在即使足不出戶,打開水龍頭,就有源源不絕的自來水可供使用,我們也許很難想像要為一口水而疲於奔命,但回顧歷史,水的取得並不是那麼的理所當然,實際上,逐水而居的生活,時刻不斷在重演。在大河流域,水源充沛且土地肥沃,不僅供應了生活用水,而且有利於作物的成長以及畜牧的飼養,因此吸引人們聚居,從事經濟、文化等各種活動,孕育了燦爛的古代文明。人類文明的盛衰興落,與水休戚相關,不管是遠古的部落或者後來的都會城市,無不奠基於「水」之上。隨著取水、水處理等技術的進步,人類能夠以更高效率取得水、使用水,其他陸生動物沒有精密的技術作為依據,但也憑藉著自己的一套方法來尋找水源,逐水而居。

從古到今,人或動物,水源取得的模式縱然有別,但水的重要性卻始終不變。

水變少了

地球的地表大部分被水所覆蓋,水資源看似取之不絕,用之不盡,但實際上,能夠供人類生命活動之用的,只有淡水,而淡水之中,冰雪融水以及地下水占絕大多數,由於收集困難,一般不會採用,所以我們所常用的,是由河流湖泊所組成的地表水,總量只占全球水量的千分之三,就是這千分之三的全球水量,養活了全球近70億人口,殊不簡單。

地球水量在各地分佈不均,有的較多,有的較少。地狹人稠的台灣,雖然降雨量幾乎是全球平均的三倍,但人均水量僅有全球人均的七分之一,而且,台灣的河川普遍受到污染,以致可供使用的水變少了。可見,台灣目前正處於「缺水」的狀態,這裡說的「缺水」,包括缺乏水量以及缺乏水質兩個面向。

由於人類活動的結果,可供生命活動的水越來越少,世界人口即將突破70億,乾淨水的需求將會進一步被放大。目前,在一些相對落後的國家或地區,當地人民仍在飲用不潔的食水,以致疾病頻生,對他們而言,乾淨的水甚至比黃金石油還要珍貴,台灣雖然資源匱乏,最起碼,我們還可以喝上一口乾淨的水。

對水的態度

生命的誕生是何其的渺茫,因為水,而實現了這個可能;繁華盛世的背後,沒有水,一切都是空談。人類自工業革命以來,對大自然的索求就有增無減,兩百多年的時間,對比整個人類歷史只不過是一瞬間,人類對資源耗用之大,前所未有。每件事情都有對價,同樣地,資源的索取不可能是永無止境毫無代價,泡沫終究會破滅。

我們可以不吃米飯改吃麵條,可以不坐公車改坐捷運,但我們不能沒有水,水具有不可替代性。科學界雖然致力於尋找水的替代品,但至今仍然沒有任何物質能夠完全替代水。

過去不正確使用水的後果,現在逐漸浮出水面,我們無法迴避,將要面臨缺乏乾淨飲用水的困境。但歷史是由人來書寫,過去的事已經無法挽回,而將來的事仍然操之在己,要明白,水既然能夠載舟,自然也能夠覆舟,我們必須端正用水的態度,做到盡量少用水、重複用水以及有效利用水的「3R」原則。水在地球上無疑是再普遍不過,但離開地球,再也找不到其他生機勃勃的地方,其實,我們應該慶幸能夠活在這一片天空下,喝著乾淨的水。水經過了千百萬年傳承到我們手上,作為承前啟後的角色,我們有義務把這種寶貴資源繼續傳承下去,所以,當我們在喝一口乾淨水的時候,也要為後人留下一口。

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本文整理自:100/11/12下午由陳竹亭教授在臺大應力所國際演講廳所主講之「第六期探索講座《化學大未來》水世界」的演講內容

延伸閱讀:台大科學教育發展中心探索基礎科學講座2011年11月12日第六講〈水世界〉全程影音

﹝本文作者畢業於台大財金系,現為台大科法所研究生。﹞
責任編輯:Nita Hsu


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