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只在宜花東海域尋求深層水是否搞錯了什麼?海洋深層水的真面目是:

阿樹_96
・2017/10/11 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

所以說那個海洋深層水到底哪裡「深」了?

其實我一直蠻好奇國內的「海洋深層水」為何選擇定在「200 公尺」深度以下呢?因為就我對於海洋學的認識,所謂的「深層海水」在科學上雖沒有特別精準的「幾公尺以下可以算是深層水」這種操作型定義,但是在海洋學中提到深層海水時,大多是指「溫鹽環流」中的深層的海水。至於為什麼會有「溫鹽環流」,在談此名詞前,先快速提一下我們怎麼科學的區分「不同的海水」?又如何探討海水流動?

墨西哥灣流的演變圖,圖/wikipedia commons

洋流和水團

氣象報導中常聽到大陸冷氣團、太平洋暖氣團這些名詞,這些氣團代表的就是一大團性質接近的空氣。而海水中的「水團」,也是類似觀念,就是一個範圍內溫度、鹽度等性質相近的水體,就會被歸類為一個水團。而大致上不同水團密度都不會相同,在海中的情況是,兩個密度不同的水團若相會,大的會往下沉,小的會往上浮,並不是那麼容易可以均勻混合的,所以海中會有不同密度的海水上升下沉的情況,請先記著這點,我們先談另一種海水流動。

而一般常說的「洋流」在現在國高中地科或地理課本中多少都有提及,我們常聽到的灣流、黑潮這類的洋流,主要驅動力是來自於風吹帶動,其來源包括行星風系、高低壓分布等等,然後受到地形也會有影響,這些表層的洋流就成了大家在念書時經常要背誦的名詞(所以應該大家都不太喜歡吧?)。

北大西洋洋流示意圖,圖/wikipedia commons

表層海水流動時,性質也會有些改變,簡單來說有河流注入、降雨量大時海水密度就會下降,而蒸發量大時密度則會上升,而蒸發量大不但會發生在熱的地方,在變冷時也會,而且如果到更冷的地方,當水結冰後剩下的鹽分會讓海水的密度再更高,因而就成了容易下沉的「水團」了!

重點在這快拿出螢光筆:溫鹽環流

上面提到那些下沉的海流,它的起點就在北大西洋的挪威附近,故又叫「北大西洋深層水」(North Atlantic Deep Water,英文縮寫:NADW),到這邊終於出現了「深層水」的專有名詞了,大約在 2000-4000m 的深度(所以如果定 200m 找遍世界也這不到這水團的),而環流從北慢慢往南流到南極那邊,性質又有點不一樣了(密度又再高了一點),叫「南極底層水」(Antarctic Bottom Water, AABW),之後這團水往北走並且分叉,分別在印度洋和太平洋上升,然後再循表層的洋流運動,有些海水會再被洋流送回北大西洋,上述這段溫鹽環流遊記,至少是一千年起跳(約莫 1600 年)。

簡化的北大西洋深層水流動循環圖,藍色的線表示海底的寒流,紅色的線代表海面的暖流,圖/wikipedia commons 。

早期似乎有些營利事業將深層水和上述 NADW 扯在一起(參考魔法泉水還是產業的海市蜃樓?-海洋深層水一文),但實際上前述溫鹽環流的主要部分可是沒有經過台灣附近海域,真要抽那管子可能伸到公海都還抽不到啊(笑),所以後來好像也沒再提這作為賣點了。

所以目前臺灣採到的「海洋深層水」是怎麼樣的水?

至少,我可以確定臺灣能採到的不是溫鹽環流中的「深層海水」,那麼是有名的的「黑潮」嗎?可能勉強有機會是,黑潮的主流寬約 170 公里,然後中心最大流速區距離陸地約 20-50 公里(Liang et al., 2003),所以算是擦邊吧!黑潮的鹽度最大處也差不多在 200 公尺深的地方,不過實際上採水的管線沿著海底到 600 多公尺處,管線長不到 5km,好像也不容易採到黑潮最核心、鹽度最高部分的水體。而且黑潮的水溫頗高,這和等下要提的「低溫安定」又有點違背,所以就先談到這裡吧。

另外附帶一提,記得有聽過海洋深層水(暫拿 600 多公尺來談)有個「低溫安定」的說法,為什麼說它「安定」呢?或許是因為它的深度所在的溫度已經超過「溫躍層」了吧?所謂溫躍層就溫度變化很劇烈的地方,從下圖海水的垂直深度變化可以發現表層和下層水的溫度會突然有個變化很大區間,稱為溫躍層(thermocline),在台灣東部附近的確到了 500 公尺以下就是接近低溫的直線了,但是營養鹽類(這個等一下談)最多的的地方卻還是要到 1000 公尺深。

溫躍層的示意圖,圖/by Welcome1To1The1Jungle @Wikipedia。

那「營養鹽」是什麼?吃了會頭好壯壯嗎?

其實我無法回答吃了是不是對身體真的好,這個留給其它領域專家。不過,營養鹽一詞,卻是來自於海洋生物化學的作用,由於海洋生物需要磷、鈣、矽、鎂、鈣、硫等元素,所以一般會把磷酸鹽、硝酸鹽、亞銷酸鹽、銨鹽等成分稱作「營養鹽」,所以它的名字的營養之處跟人體並沒有直接關聯,或許可能有人會去研究它對人體是否有益,然而這些東西和所謂微量元素的一些重金屬礦物質,我們在很多時候都可以接觸到,如果要靠喝特別的水來補充,效率會比較好嗎?(我也非營養專家,就暫持保留態度吧)

再偷偷說一件事,要說台灣附近營養鹽多的海水位置,我想應該不在花東外海,而是在臺灣海峽,只是它的深度就不可能達到 200 公尺了……另外還有湧升流帶上來的營養鹽也是很豐富(下圖的東海 East China Sea 地區),深度當然也不到 200 公尺,所以我說那個 200 公尺畫分的也還真「剛好」啊(笑)!但到底是為什麼呢?還是要問定出這個深度的人了。

台灣與西太平洋的表層海還營養鹽分布位置,可以看到東海、還有中國沿岸和台灣海峽有較多營養鹽啊!圖/重新編修自 Chen, 2003。

之所以寫了這篇文章,並沒有打算叫大家不要喝____的水,畢竟這東西也無害,大家喜歡喝就喝。純粹是因為不是很喜歡過度的誤用科學詞彙,光以海洋深層水的定義而言,原本科學上並沒有完全一樣的名詞,但也有類似的定義,而目前看起來國內像經濟部給定的 200 公尺深的操作型定義和主流學界仍有落差,而過往的地科人們又太低調,不才小弟只好跳出來說一下定義正名一下,順便提供大家對於水團、營養鹽的相關知識。若科學上有什麼需要補充處,也請不吝建議。

source:Wikimedia

參考文獻

  1. W.-D Liang, T.Y Tang, Y.J Yang, M.T Ko, W.-S Chuang, Upper-ocean currents around Taiwan, In Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, Volume 50, Issues 6–7, 2003, Pages 1085-1105.
  2. C.-T Chen, Distributions of nutrients in the East China Sea and the South China Sea Connection. Journal of Oceanography. 64., 2003, Pages 737-751.

延伸閱讀

  1. 維基百科(英):溫躍層
  2. 科學Online:全球海洋深層大循環 (The Global Ocean Conveyor)
  3. 泛科學:魔法泉水還是產業的海市蜃樓?-海洋深層水

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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