【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

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