【地質奧妙】黃石公園彩色溫泉池的秘密

■美國第一座國家公園黃石公園著名的景點之一就是色彩多變的溫泉池,科學家想盡辦法要分析這些顏色成因。

來自Newark, Ohio的James St. John - Flickr
來自Newark, Ohio的James St. John - Flickr

撰文|方程毅

黃石公園(Yellowstone National Park)為世界上最富盛名的國家公園之一,是北美最大的火山系統,也被稱之為「超級火山」。與火山有關的地形樣貌及複雜的生態系統每年總吸引無數的遊客前往,由於是火山地形,因此各式各樣的溫泉池座落於其中,許多溫泉池都會隨季節「變色」,而最著名的便是「大稜鏡溫泉」(Grand Prismatic Spring),大稜鏡溫泉直徑115公尺,深49公尺,水溫超過80°C,是黃石公園必去的景點,從岸邊一路看往池中心,溫泉池的表面的顏色就像彩虹一般變化,不僅如此,大稜鏡溫泉本身的顏色也會因為季節及氣候變換,非常神奇。

科學家們當然被多彩的湖面深深吸引,試圖解釋這大自然留下的極致美景,經過多年的研究發現,湖面顏色的變化原因相當複雜,包括水溫、酸鹼值、池中生物、池內礦物質顆粒以及人為汙染等等。雖然科學家們找出了這麼多原因,卻一直無法使用一個數學模型來描述這些行為,因此也就無法進行量化分析。直到最近,來自美國蒙大拿州立大學(Montana State University)和德國布蘭登堡應用科技大學(Brandenburg University of Applied Sciences)的研究團隊建立了一套簡單的數學模型成功預測水的顏色,並將這項研究成果發表在2015年的《Applied Optics》期刊中。

在這套數學模型中主要針對三項變因進行模擬:生物毯(microbial mats)、池中顆粒散射及池面反射。

生物毯簡單來說是一層又一層的微生物(多半是細菌或古菌)披覆在池底,因此讓池底的顏色不再是地殼的顏色。由於溫泉池溫度變化極大,因此生物毯的組成也會因為溫度不同而改變,例如:當水溫為攝氏43度左右時,生物毯主要由藻類(algae)、原生動物(protozoa)及細菌構成,池底有可能呈現棕色、紅色或綠色;水溫攝氏75度時,就會以藍菌門(Cyanobacteria)為主(藍綠藻就是屬於藍菌門),池底就會轉成黃色;而當水溫升高到達85度時,已經無法行任何光合作用了,留下的物種就剩下化能無機營養菌(Chemolithotrophic bacteria)或異養細菌(heterotrophic bacteria),這時池底也就只剩淡淡的粉紅色或白色了。

數學模型中另一項因素是池中顆粒散射,溫泉池本身並不是完全清澈,而是有各式各樣的顆粒,一般來說顆粒對於短波長的光(也就是藍光)有較強的散射能力,因此當湖中顆粒濃度越高時,越多散射光就會進入到我們眼中;而當顆粒濃度較低時,我們便比較容易看到池底生物毯的顏色。

最後一項因素是池面對於陽光的反射,不同物質界面必然會有反射光,池面反射陽光的多寡也會影響我們觀察到的顏色。

這個數學模型如此設計並不代表影響溫泉池顏色就只有這幾項因素,而是利用這幾項變因能既不困難,又準確的預測顏色變化,這也是科學家建立數學模型來預測大自然各種現象的意義,因為試圖把所有因素考慮進來只會讓問題變得非常複雜且難以預測,能找到主要變因並盡量讓理論模型與實際的誤差降到最低,是非常有實用價值的。因此這項研究卓越之處並不是有什麼新發現或新解釋,而是能夠把複雜的自然現象簡化成一個簡單的數學模型。

有趣的是,主要進行研究來自德國的Vollmer教授根本是因為休假才跑到美國蒙大拿州立大學當訪問學者,蒙大拿州立大學開車到黃石公園又只需要一個半小時,結果休假跑出去玩的Vollmer教授竟然就這麼建立了一個極具價值的數學模型,就像李開復所說:「你以為我在工作,其實我在玩;你以為我在玩,其實我在工作。」

但不有趣的是,這些顏色有一大部分是出自於人為汙染,因為觀光客喜歡把池子當許願池,往裡面扔硬幣扔垃圾,也就堵住了池底噴出的溫泉,改變了溫泉池的溫度,進而改變了生物毯組成的成分,也就改變了溫泉池的顏色。因此也希望觀光客們,有願望請用自己用雙手努力實踐,不要一天到晚迷信扔硬幣,不僅損失金錢,也破壞了大自然留給人類的珍貴資產。

原始論文:
P.W. Nugent, J.A. Shaw and M. Vollmer, "Colors of Thermal Pools at Yellowstone National Park,", Applied Optics, Vol. 54, Issue 4, pp. B128-B139 (2015)

參考資料:
1.Yellowstone's thermal springs—their colors unveiled
2. Microbial mat
3. Yellowstone thermal pool's fluorescent colors coming from pollution, say scientists
4. https://www.flickr.com/people/47445767@N05

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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