【專題企畫】

水的循環

君不見黃河之水天上來，奔流到海不復回……
　　　　　　　　　　－唐‧李白〈將進酒〉（節錄）

李白在這首曠世巨作中，一開頭就提到黃河之水從天上來，再滔滔不絕奔流入海……
雖然這是營造磅礴氣勢的一種文學手法，但某種程度上也道出了大自然的水循環規律：海洋、河川、湖泊的水受到太陽照射，蒸發為水蒸氣，上升後遇冷凝結成小水滴，小水滴聚集夠了，就會化成雨或雪落到地面，成為河川、地下水或是再回流至大海，億萬年來循環不息。

飲水知源

水的化學式是H2O，乃是氫（Ｈ）、氧（Ｏ）兩種元素經反應後所產生的化合物。由於氫、氧是構成宇宙的主要元素，所以科學家推論，水在各星系中應該普遍存在，而成為許多行星、衛星及彗星的成分。在太陽系，除了地球、彗星以外，火星、海王星、冥王星、月球、崔頓衛星（海衛一）、歐羅巴衛星（木衛二）等都發現了固態水，足以證明水是宇宙間的重要物質。

雖然水是如此常見，但可別小看這不起眼的液體，它相當神奇，可以溶解許多物質，而成為含有酸、鹼、鹽等成分的溶液，產生各種不同的特性。例如：常用作防疫消毒的「醫用酒精」就是一種水溶液，其體積濃度比率為百分之七十五的乙醇與百分之廿五的水，對於細菌、病毒來說極具殺傷力。

由於水是如此容易溶解其他物質，因此在大自然之中幾乎沒有「純水」存在。當然，如果透過加熱、蒸餾則可以得到相對純淨的水，但是仍不可能完全沒有任何雜質。

此外，水還有一些令人驚奇的特性。首先，水是少數不遵循「熱脹冷縮」原理的物質，即水結成固態的冰，體積會變大、密度會變小，所以冰會浮在水面上。其次，水分子的內聚力很大，在常見液態物質中，水的表面張力僅次於汞，因此若少量水滴滴在玻璃上，水滴仍可保持圓珠狀態。

這些特性造就了水與眾不同的面貌，地球也因為有大量的水，而擁有變化多端的地形、氣候，以及豐富多樣的各種生物，「水」其實就是地球生命之源。
 

滴水穿石

若從太空看地球，會發現它猶如彈珠般晶瑩明亮，在浩瀚的宇宙中閃爍著藍色的光芒。為何會如此？主要是因為地表約有百分之七十一的面積是海洋，而水分子又最不容易吸收藍光，於是大部分的藍光都會被反射回太空，使得地球成為太陽系最獨特的「藍色星球」。

地球上的水以氣態、液態、固態三種形式存在於空中、地表與地下，包含了河流、湖泊、海洋到雲、雨、霜、雪、冰，乃至地下水，可說是無所不在，所以水不僅能決定地球的顏色，更透過各種作用力形塑地貌，其中最重要的就是侵蝕、搬運和堆積作用。

先看侵蝕作用：當河水、冰川受重力作用由高處往低處流，或是海浪受風力及潮汐力帶動而不斷拍擊陸地，都可以產生動能，磨蝕岩石及土壤，使其疏鬆、碎裂。此外，雨水或地下水若接觸到石灰岩層，可與其主要成分碳酸鈣發生化學反應，生成可溶於水的碳酸氫鈣，久而久之，石灰岩層就變成空洞。

隨著岩石、土壤被分解，水流、冰雪、潮汐就可以攜帶這些碎屑移動到別處，當流速愈快的時候，所能搬運物體的顆粒就愈大，這是水的搬運作用。

不過，水的搬運力也會隨著流速降低，導致承載力減弱，於是物體會逐漸沈澱下來，慢慢積累成不同的地貌，此即水的堆積作用。例如：河流在中下游因流速減緩，往往將上游帶來的泥沙堆積成廣闊平坦的沖積平原或三角洲；或是含有碳酸氫鈣的地下水滴落在洞穴的地面，形成鐘乳石、石筍等堆積物；以及冰川消融後遺留在當地的冰磧石……這些都是經由水的堆積作用而形成的地貌。

侵蝕、搬運和堆積其實是水在地球上永不間斷的連續作用，造就出今日我們所見到的種種地理景觀，而且這些景觀會隨著時間不停改變，因此高山會成為平原、滄海會成為桑田，說明了水對於地形的影響是如何巨大又深遠。

風生水起

水在地球上經由太陽照射，蒸發為水蒸氣，上升後遇冷凝結，再化成雨雪降回地球表面。這樣生生不息的「水循環」過程，可說是影響地球氣候變化的主要原因。

在吸收熱能而蒸發與釋放熱能而凝結的過程裡，因為水的「比熱容量」較乾燥空氣或陸地都要大，所以水升溫及降溫的速度會比後兩者來得慢，於是就出現了「夏季時內陸比沿海高溫、冬季時內陸比沿海低溫」的現象。

水的比熱容量大，因此造成「內陸的年溫差較大、沿海的年溫差較小」，若將時間縮短至一天，水的此種特性還可以影響空氣流動（即風）的方向。由於陸地吸收熱能及釋放熱能的速度皆比海洋快，所以白天受太陽照射的陸地很快就會增溫，連帶上方的空氣受熱膨脹，密度降低、氣壓變低；而海洋升溫較慢，上方的空氣較冷，密度高、氣壓高，空氣便從海面流向較暖的陸地，形成涼爽的「海風」。到了夜間，陸地迅速降溫，上方的空氣變冷，密度升高、氣壓高；而海洋仍能保持相當的溫度，上方的空氣較暖，密度低、氣壓低，於是空氣又會從陸地流向海面，吹起「陸風」。

從一天之內，海洋和陸地的風向轉換，再延伸到長時間的季節交替，夏季時陸地升溫快、氣壓低，海面上的空氣向陸地移動；冬季時陸地降溫快、氣壓高，陸上的空氣向海面移動，便形成了隨季節而變換方向的「季風」。

除了海陸風、季風，我們所熟知的「熱帶性低氣壓」，其主要成因也與水有關。在熱帶海洋上，海面的空氣因長期受到日光的強烈照射而溫度較高，使海水蒸發的水氣增多，形成高溫、溼度大的狀態，猶如在蒸籠之中。這種溫暖潮溼的空氣會體積膨脹、密度減小，加上赤道附近的氣流本就微弱，所以很容易產生上升現象。此時四周較冷的空氣又流入補充原本的空間，接著再受熱上升，如此循環不已，形成對流作用。最後循環的氣流變成重量輕、密度小的空氣柱，於是熱帶性低氣壓便出現了。

地球因為擁有豐富的水分，所以產生了變化多端的各種氣候，但從另一層面來說，地球也因為水的「比熱容量」特質，而能保有較小的溫差。以火星來說，由於表面沒有液態水，加上大氣層稀薄，因此無法維持比較恆定的氣溫；目前研究得知，火星地表某些地區的日夜溫差可達攝氏一百六十度，這樣的氣候型態是不利於生命的演化與發展的。
 

如魚得水

水造就了地球適宜的環境，而生命也是孕育自這個水世界。

從目前研究得知，地球上最初的生命形式就是出現在海洋中，歷經了漫長的四十億年演化過程，至今水仍是所有生物體內的重要成分。例如：人體有百分之七十是水，而水母的身體更高達百分之九十八是水。水是人類每日必定要攝取的物質，如果我們完全不喝水，可能二到七天之內就會失去生命。

水不僅組成了生物體，更扮演著種種維繫生命的作用。例如：水透過本身附著力與表面張力的交互作用，會在細管或孔道中產生「毛細現象」，即水在不需外力的狀態下，能克服地心引力而在管道內上升；當管道直徑愈狹小的時候，水柱上升的高度則愈高。此一現象有助於陸地植物藉由莖內維管束吸收來自根部的水分，為植物生存的利基之一。

此外，水是最佳的溶劑，許多物質可以溶解於水中，生物便能透過水來接收和傳輸各種營養。例如：動物血液的主要成分是血漿，而血漿有百分之九十的體積都是水。

更重要的是，生物所接收的營養物質還必須透過化學反應，才能將這些物質分解成足以讓細胞吸收的小分子，以獲得維生的養分，而水就是促成這些化學反應的最佳媒介。在動物的消化作用和植物的光合作用裡，水都是極具關鍵作用的角色。

由此可知，水是造就生命的源泉，它不僅自身能成為廣大湖海，還能兼容並蓄地滋養萬物。當我們日日享用看似取之不竭的水時，實應明白：地球是宇宙間難得的「藍色星球」，唯有珍愛水資源，讓它保持原有的純淨與自然，生命才能源源不絕、細水長流。