地球上詭異多變的液態水

「君不見，黃河之水天上來，奔流到海不復回。」

——【唐】李白《將進酒》

生命起源於碧水茫茫的海洋。水，是地球生命不可或缺的物質，也是地球上自然資源中不可替代的重要物質。了解地球上的水，可先從下面這則舊聞說起。

2011年5月11日央視新聞報導：

72名來自北非的難民坐船試圖從利比亞到達義大利。途中因船隻失去動力而遇險，在海上漂流了兩周。最終由於缺少淡水，只有9人生還，63人因渴致死。時任聯合國難民署發言人蘿拉·博爾德裡尼（Laura Boldrini）說：難以想像，統計顯示共有約800人離開利比亞海岸，但他們未能抵達地中海的另一邊。

漂在水上而渴死，這是一出極其殘酷和諷刺的悲劇。

該新聞再次向人們警示水的極端重要性。水是人類及一切生物生存所需的最基本的物質之一，淡水尤為珍貴。金木水火土——水，也是我國古代闡述萬物之理的五行學說中的最基本的元素。

人體中有2/3是水，我們的大腦主要由水組成。因此，我們人類非常喜歡流動的水，對江河湖海讚嘆不已。孩子們更喜歡跳進水裡戲水、遊泳。玩水也是成年人度假最受歡迎的項目之一。

然而，有時水也會掉過頭來對付我們，滔天大水總是令人生畏。自古以來，關於水的故事既有事實，也有虛構，彼此相爭。直到19世紀人們掌握了科學知識，像聖經中描述的那場史前挪亞大洪水（Noachian Deluge）才從真實變為純粹的寓言。這種認識上的改變隨著科學的進步顯得更加理性：如果大氣中含有的水蒸氣都凝結成雨水，海平面也僅上升25毫米而已。那麼，按上帝旨意建造的那艘諾亞方舟（Noah’s Ark)也就派不上用處。即使有挪亞的四十天大雨，洪水也不可能讓全世界受災，只能局限於區域性的水害。當時如此，今日亦然。

科學家認為，水和我們人類的關聯性可能比我們想像的更加密切。

美國科普作家鮑勃·伯曼（Bob Berman）在他《萬物簡史》（Zoom: How Everything Moves: From Atoms and Galaxies to Blizzards and Bees)著作中闡述，有一個理論認為人類很可能是一種在基因上與湖或海有所關聯的水猿（aquatic ape）。這個理論稱為水猿假說（aquatic ape hypothesis, AAH),指出現代智人的許多特性，皆可以從水中得到解釋。

地球以水行星的形態存在，70%的地表是深度達3650米的液態水，在太陽系內獨一無二。但這也符合邏輯，因為H2O是宇宙中最普遍的化合物。

宇宙中最豐富的元素是氫（H）、氦（He）和氧（O）。惰性元素氦不和任何其他元素發生化學反應，而氧的含量雖比氫少了很多，但氧的性質非常活潑，總是渴望與其他元素相結合。因此，H-和O-的結合，在時空的每一個角落不斷重複著。

天文學成果顯示，水幾乎無處不在。大多數的恆星都有蒸汽包覆。壯觀的土星環，是由無數冰塊所構成的。彗星實際上就是水冰和塵埃變成的百萬公裡蒸汽流，也是橫空掠過的亮麗尾巴。因此，有些學者提出地球上的海洋最初很可能是彗星帶來的。

我們知道，水在-273.15攝氏度（絕對零度）至0攝氏度之間是固態（冰）——而宇宙的絕大部分空間都處於這個溫度範圍。氣態水（蒸汽）的維持溫度範圍更寬，從100攝氏度至1482攝氏度，1482攝氏度時水分子開始崩解。所以，冰和蒸汽在宇宙各處是水的主要扮演者。液態水的形式只在一個非常狹窄的溫度區間內取得優勢：0至100攝氏度（華氏32度到212度）。

除了合適的溫度外，讓水維持液態還需要合適的大氣壓力，否則水仍然難以維持液態。例如，夏季的火星上氣溫足夠熱，足以將冰融為液態水，但是在那裡大氣極其稀薄，幾乎沒有大氣壓力，所以液態水（H2O）在火星上很快會氣化為蒸汽，水始終只能是蒸汽或者冰。

地球的溫度和大氣壓力恰好能夠使水維持液態。降低壓力，水很容易沸騰蒸發。海拔高度每升高150米，水沸點就降低約0.56攝氏度，水更容易蒸發。因此，由於寒冷和缺失大氣，月球上也是一個可以同時讓水結冰或者沸騰的地方。

所以，H2O常有，但液態水則罕見。幸運的是，正是液態水，構成了我們地球表面的大部分。我們的周圍到處都是這種寶貴的液體，以液態水為源泉的生命才得以繁衍生息。

據科學家測算，覆蓋我們地球的總水量多達1.359918x10^18立方米。其中，1.32189x10^18立方米是海水，佔總水量的97.2%；0.65%左右是以淡水的湖、河流、地下含水層和大氣中的水蒸氣和霧等形態存在；大約2.15%的水以極地冰川的形態被鎖住。這些液態水全都有隨時移動的趨勢，一旦找到出路，便會向著地球中心逼近。例如，從天而降的雨水，讓水流動的情景難以避免。

水蒸氣凝聚成水滴降下，這樣通過大氣持續不斷循環的水量非常龐大。每年大概有56.6萬立方千米的水降落成雨，如果把這些雨水都留在地表，將會形成全球約1.1米深的水層。這是全球的年降水量，這些雨水需要尋找出路。

雨水徑流開始時是寬廣的一大片，而後要麼滲入地下，要麼沿渠道而流。這種渠道寬度多變，從窄窄的小溪到滔滔不絕的黃河、長江都是。河流在容易溢流的泛濫期以勢不可擋的態勢製造破壞。水的密度約是空氣的800倍，僅0.3米深的水流可以推動80千克重的物體。河流的侵蝕很大一部分源自水中的顆粒對河岸邊的衝刷作用。

愛因斯坦是第一個提出河流遵循Pi（3.1416）規律的人。即，取一條河從源頭到入海口的直線距離，去除這條河道實際在地面上蜿蜒的裡程數，就等於Pi（3.1416）。

河流常常是自己造出一條彎彎曲曲的路徑，因為即使最小的彎也會導致外側流速加快。這又產生了進一步的侵蝕與更尖銳的轉折，進而導致流速進一步加快、侵蝕加快，以及更加尖銳的扭曲。被削刷的沉積物通常沉澱在下一個轉折的內側，造成後續的河灣。當彎得太過頭時會讓河流180度大轉向，結果形成了地理學上的牛軛湖。留給大地的是許多半圓形，以及Pi的整體值。我們從空中或在地圖上就可看到這種漂亮的風景。

彎道對直道之比，隨著每一條河流的情況而不同。最接近Pi的那種比值，在流經緩坡地形的河流中最常見。

水流侵蝕帶走的沉積物一直增加，數量巨大。有學者估計，僅一條密西西比河(Mississippi River)，每年便帶走了7.5億噸物質入海，這其中有2/3是懸移物，2億噸是溶解質（如各類鹽），5000萬噸是稍大、並以滑動或滾動方式移動的推移物質。

流速至關重要，水的衝擊能量（1/2mv^2）隨其速度的平方而增大。在河水泛濫的汛期，水流速度很容易增加為平時的3倍，那麼衝刷河岸的能量就增加9倍，非常強大。所以，汛期的洪水急湍甚箭，猛浪若奔，極易發生不可逆轉的破壞與地形地貌的改變。

陸上的江湖之水以這種調皮的形式奔向大海，那麼海水的表演又會是怎樣的呢？

海水以渴為刃，屠戮了許多人。在本文開頭的新聞裡，海上遇險者往往因絕望而喝海水，首先導致嚴重的痢疾，接著是神智恍惚、腦部受損，最後死於腎衰竭。飲用鹽含量超過1%的水，會使得血鈉值和血壓快速上升。身體的反應不是針對水，而是針對鹽，腎臟只要用淡水就能把鹽排除。

地理上的全球四大洋家喻戶曉，因所有海域彼此相通，其實只有一個全球之洋，但鹽度、洋流及其他屬性因地而異。海水佔了地球水量的97%，因此海洋才是地球上液態水的大本營和真正家園。

科學之外，海洋還隱藏著魔法。潮汐、洋流和波浪被稱為海洋世界的「三大」推動力。每一種推動力都規模浩大，力量無窮。

我國東海之濱杭州灣入海口的錢塘江大潮，是天下聞名的潮汐之一。那裡景致不多，但勢如萬馬奔騰的潮頭令現場的觀賞者嘆為觀止。

錢塘江大潮在海洋愛好者和江浙滬民眾之間早已是名聞遐邇。錢塘江口形似喇叭口，由寬而窄，並且表面上看不到的恰好是傾斜的海床，兩者一起導引並放大了流入的潮水。東海的海水在行經的過程中上升，潮水只好後浪推前浪，層層疊加，以排山倒海之勢衝向海寧鹽官的觀潮處。潮水衝擊堤岸時可謂驚濤拍岸，氣勢磅礴。

古人有詩為證：「乍起悶雷疑作雨，忽看倒海欲浮山。萬人退卻如兵潰，濁浪高於閱景壇。」

世界各地的潮汐在月球和太陽對齊時波動較劇烈，新月時兩者在同側，滿月時在反側。在這段時間裡，滿潮時海水逼近海邊棧道，幹潮時則露出平常看不到的泥沙地。在錢塘江，農曆八月十五，太陽、月球、地球幾乎在一條直線上，海水受到的引潮力（潮汐力）最大。因為引潮力隨地球與月球距離的三次方（不是平方）而變動，月球對地球面月一側所施加的「拉力」比對遠側的要大。

這種差異並不是導致潮汐效應的成因，差異本事就是潮汐效應。潮汐效應並非重力本身，而是兩個地點之間的重力差值。

地球的直徑約12740千米，約是月球與地球間距的3.3%，地球面月側半球與反側半球海水所受到的月球引力差值產生了些許力矩，由此導致海水上漲約0.9米。由於月球到地球的距離，要比太陽到地球的距離近得多，潮汐效應是由月球主導的，幾乎由月球說了算。

洋流是大海的第二種推動力。洋流如同力量強大的海水河，海水連續不斷地移動。一些洋流來而復去，隨風轉移，有些只是影響海邊局部區域。而另一些洋流因為赤道炎熱氣候與盛行風的影響，可以流經整個半球的許多地方。

海洋學家的研究表明，洋流能以每小時0.8～9千米的速度四處流動。例如，墨西哥灣洋流把溫暖的海水從加勒比海往上帶到美國東岸，然後再到歐洲，是速度最快的洋流之一。加利福尼亞洋流，帶著冷冰冰的阿拉斯加海水，緩緩地經奧勒岡到舊金山，使舊金山的海灘只適合海豹生存，而不適於其他動物。

專家指出，全球大約40%的熱傳遞是由海面表層洋流引起的，深度一般不超過300米。它們幾乎都由盛行風製造引發。

大海的第三種推動力是波浪。

開闊海域的波浪起伏高度一般在1.5～4.5米之間，速度72.5千米/時。從物理學知道，儘管波浪看似在前行，但每一顆水滴幾乎並未向前移動。一道波浪過後，每一滴水大致都回到原來的位置，它們在做上下的機械振動。海浪的波長一般有120米的跨距。同一系列的連續波，波與波的間隔時間不改變——有時長達9秒鐘，它們日復一日，以緊密一致的步伐橫越寬廣的海面。

海浪威力巨大，並一再重複衝擊海岸，超乎人的想像。一道海浪可能重達幾千噸，在暴風雨中，高漲的浪濤每一波的衝擊都能令海岸顫動。

海嘯時，浩浩滔天的波浪能達到令人震撼的極致。例如，2011年3月日本東北部海底地震引發的海嘯事件，海浪迅速衝破防波堤、碼頭和其他各種障礙物，造成了重大財產損失和人員傷亡，尤其是造成了核電站的嚴重洩漏。海上正常的波浪前行速度是72.5千米/時，但海嘯時的速度達805千米/時左右，和噴氣式飛機相當。這種波浪的衝擊對臨海國家沿海設施將帶來不可承受的破壞。

歷史上記錄到最大的波浪有驚人的525米高，比上海東方明珠塔還高很多，在1958年7月9日狂湧經過阿拉斯加的利圖亞灣（Lituya Bay）。這是史上最高的因地震而起的海嘯。這種怪物級的波浪運動，光是它的規模就讓人難以想像。要知道，每1立方公裡的海水就超過10億噸重。

迄今為止，科學家對於海水及其運動依然有許多謎團。關於威力強大的海洋潮汐、洋流和波浪，與任其長期肆虐的海岸線和生態之間的關係，僅憑几個簡單的自然事件還不能下精準的定論。我們目前的科學，並非每一次都能讓我們對這種永不落幕的海洋事件有充分的理解。

液態水詭異多變。水，既能載舟，亦能覆舟。敬畏大自然，敬畏水的魔力，今天仍是我們應該持有的謙卑心態。

【謝謝閱讀】