海水怎麼是鹹的——從郵輪游泳池回溯到原始海洋│環球科學札記(5)

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

• 作者 / 張之傑

我們這趟環球之旅，很少遇到陰雨天氣，特別是在紅海和地中海期間，晴空無雲，天藍得透亮，沒有一點兒雜質；海藍得像面鏡子，閃耀著藍寶石似的光影。

若干年長或行動不便的乘客，喜歡鎮日坐在八樓長廊的沙發上，望著舷窗外的碧海藍天打發時光。我常帶著筆電在八樓長廊寫作，累了就眺望著海天一色的海平線。由於地球是圓的，海平線以一個很大的弧度中消失在視線中。

海和天為什麼是藍色的？這和散射有關。陽光射到地球，會碰到空氣和懸浮在空中的小水珠（雲），使得天空的顏色經常展現變化。晴天的時候，射到地球上的光線碰到空氣中的氮分子或氧分子，就會引起散射作用，藍光的波長較紅光短，散射得較厲害，看在我們眼裡，天空就成為藍色的。

這個道理看起來好像很簡單，但是人類明白這個道理是十九世紀末葉的事。一八七三年，英國物理學家瑞利（Lord Rayleigh）是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射，使我們了解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中，紅、橙、黃光的波長較長，藍、靛、紫光的波長較短。所謂波長，就是兩個波峯間的距離；而波峯，是指物質振動最大的地方。舉個例子，當我們扔一塊石頭到水裡，會激起一圈圈漣漪。兩圈漣漪間的距離就是波長。當然啦，光波的波長比漣漪的波長小得多了，波長最長的紅光，不過十萬分之七、八公分，藍光不過十萬分之四、五公分而已。

瑞利發現，散射不會改變射入光的波長，只會改變射入光的方向。那麼散射又怎麼會造成天空的各種顏色呢？原來散射的作用截面，既與散射粒子的大小有關，也與被散射光的波長有關。空氣中的氧分子、氮分子，大小恰好可以散射波長較短的藍光，藍光散了一天，天空當然呈藍色的。

到了傍晚，夕陽西下，陽光打斜裡射過來，較接近地面，而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵，粒子比氧分子、氮分子大得多，較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光，艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

如果天上水浮著小水滴，也就是雲，那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多，各種波長的色光都能被它散射，結果，雲就成了白色的。如果雲層較厚較密，陽光穿不過去，就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗，不過是陽光玩的把戲而已！

當雲聚成雨滴的時候，顆粒就更大了，大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已經出太陽，一邊還在下雨，陽光穿過雨滴，就會形成我們看到的虹。噴泉和瀑布上也可以出現虹，原理是一樣的。此次環球之旅，我們看到過幾次彩虹，印象最深刻的一次是在復活節島。公路靠海的一側，忽然出現拱門似的彩虹，距離我們目測不到五十公尺。站在彩虹下照相，宛如置身彩虹之下呢！

陽光照到水裡，又是一番景況。較深的水都是藍色的。水原本透明無色，水分子的大小可讓波長較長的紅色繞過去，而波長較短的藍光被散射，所以較深的水莫不是藍色的。水愈深，散射、反射的藍光就愈多，看起來就愈藍了。

同樣是水，為什麼海是藍的，而浪花卻是白的？為什麼驚濤拍岸，會捲起千堆雪？道理很簡單，所謂浪花，其實就是小水滴，可以散射各種波長的光，所以浪花就和白雲一樣，變成白色的了。

就像看天一樣，人類真正懂得看海也是晚近的事。印度物理學家拉曼（Sir Chandrasekhara Raman），從印度搭船去英國。天連海、海連天的景況，使他悟出海水和天空的顏色，都是光線散射所造成的。一九二一年，拉曼在英國《自然》上發表了一篇論文，提出他的散射理論，題目是〈海的顏色〉。古今中外，多少人有過「看海的日子」，卻只有拉曼獨具智眼，看出別人看不出的道理。

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

• 賈新興／臺灣大學大氣科學系博士，前中央氣象局長期預報課課長，現職為天氣風險管理公司總監。

夏季是颱風出現的季節，往年的 7 月平均會有 3～4 個颱風生成。但今（2020）年 7 月卻罕見地無颱風生成，主要原因是季風槽受太平洋高壓，以及較大的垂直風切所導致。

颱風消失了？生成條件大盤點

每年的 7 月是颱風開始活躍的月份，平均而言，7 月都有 3～4 個颱風生成，從 1951 年以來的颱風生成資料顯示，歷年 7 月最少都有 1 個颱風生成，最多則有 8 個颱風生成，分別是 1971 年 7 月和 2017 年 7 月。

然而今年的 7 月，整個西北太平洋海域卻靜悄悄的，沒有半個颱風生成，到底是發生了什麼事，讓 7 月颱風銷聲匿跡了呢？就讓我們一一檢視颱風生成的條件。

生成條件一：溫暖的洋面

颱風生成在海面上，廣大的洋面能提供足夠水氣，當水氣蒸發釋放潛熱時，就可以讓颱風有足夠的能量成長。

一般來說，當海水溫度超過 26°C 時，才會產生足夠的水氣。而西北太平洋地區，每月氣候平均的海溫都在 27°C 以上，其中 2 月的平均海水溫度也有 27°C（圖一）。

因此，西北太平洋溫暖的海域，時時刻刻都有足夠的水氣提供颱風生成所需的能量。從西北太平洋區域今年 7 月平均的海水溫度分布圖發現，整個西北太平洋的海溫至少都超過 29°C（圖二）。

溫暖的洋面，雖然提供了足夠的能量，但為什麼颱風仍舊長不出來呢？讓我們再檢視其它颱風生成的動力條件！

條件二：活躍的季風槽

颱風是個逆時針旋轉的低壓中心。夏季時，當北半球的西南季風，和太平洋高壓所帶來的東風或東北風相遇，兩者所造成的輻合作用，會使低氣壓的漩渦繼續加深，讓風速增強。

當低氣壓的近地面最大風速到達或超過每小時 62 公里或每秒 17.2 公尺時，我們就將它稱為颱風。這個伴隨西南季風和太平洋高壓南側的東風或東北風相遇的地方，通常稱作季風槽，或是俗稱颱風生長的故鄉。

從 7 月大氣低空風場的氣候平均圖，可以看到西南季風和太平洋高壓南側的東風形成的季風槽，從東經 120 度往東南方向延伸至東經 160 度。比較今年 7 月的大氣低空風場（圖三）可以發現，整個季風槽不見了，原來應該是季風槽所在的區域，一整個都被太平洋高壓的東風所佔據了。

而太平洋高壓是個穩定且下沉的空氣，但颱風是個垂直發展的低氣壓，因此，偏強的太平洋高壓讓今年的西南季風無法深入至西北太平洋區域，剷平了颱風的家，也就讓颱風長不起來了。

條件三：垂直風切不能太大

另外，颱風垂直發展的高度至少可以達到對流層頂的高度，因此當高空風和低空風的風向差異太大時，也就是一般我們所說的垂直風切太大時，就無法讓水氣凝結所釋放出的潛熱更有效地提供颱風發展，造成颱風的垂直發展不好，颱風就不容易生成。

根據7月氣候上的垂直風切分布顯示，在西北太平洋區域的風切平均介於 -10～5之間。但今年 7 月的垂直風切，則介於 -10～10 之間，明顯比氣候平均值高，因此不利於颱風的垂直發展。

都是高壓和垂直風切惹的禍！

從以上颱風的生成條件來看，今年 7 月雖然有足夠的水氣提供的能量來源，但要讓颱風旋轉起來的季風槽，因為太平洋高壓太強，使得季風槽無法向東推進到西北太平洋區域；偏強的太平洋高壓帶來穩定的下沉空氣，連帶的也讓垂直風切太大，颱風更是長不起來！

今年 7 月的太平洋高壓太強，不但讓颱風長不起來，連帶的也是造成臺北創下自 1897 年以來的最高溫紀錄 39.7°C 的原因之一！至於為什麼今年的太平洋高壓如此強大，就是另一篇故事了。

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

• 文／張之傑

和平號只有三萬五千噸，是艘平民化的小型郵輪，和動輒七、八萬噸的豪華郵輪不能相比。舉例來說，和平號沒有舞廳、賭場和劇院，除了三餐，平時不供應飲食。以游泳池來說，差異就更大了。

豪華郵輪的游泳池通常十米，露天的甚至可達二十五米，池裡的水通常是淡水。和平號的八樓、九樓甲板上各有一座游泳池，長度僅約五米，裡面的水是抽上來的海水。

當船友告訴我，游泳池裡的水是海水時，我還半信半疑，伸手撈點池水舔一下，果然鹹得發苦。由於池子太小，又是海水，我們雖帶了泳裝和泳帽、泳鏡，但從沒下去過。

游泳池可以使用海水，烹飪、洗浴卻非淡水不可。和平號雖然是艘小型郵輪，也有約一千名乘客、近四百名工作人員，每日消耗的淡水量可觀。

日本人特別喜歡吃生菜，早餐至少有四種生菜，午餐至少有六種，都洗得乾乾淨淨，這也需要很多淡水啊！和平號並沒有海水淡化設備，淡水是靠岸時補給的。我們從檳城到埃及賽得港，在海上搖晃了足足十四天，可見船上有很大的儲水空間。

為甚麼海水是鹹的？水蒸發了，鹽分卻留了下來！

我當過老師，又喜歡發表議論，常有些船友問東問西。有次在九樓露天餐廳吃飯，旁邊就是游泳池，有人問我：「下去游過嗎？」我說：「沒有，池子太小，又是海水，豈不等於在鹹菜缸裡洗澡。」引得同桌的人都笑了。有位仁兄忽然提問：「海水為什麼是鹹的？」

這個問題看似簡單，回答起來還真不容易。怎麼說呢，大約四十六億年前，太空中的一團雲氣（含氫、氦、塵埃等）因重力而收縮，中央的部分成為太陽，剩餘的部分凝聚成直徑只有幾公里的「微行星」，它們互相碰撞，進而凝聚成行星，地球就是其中一員。

微行星互相碰撞，產生高溫，因而原始地球溫度甚高，呈熔融狀態，於是較重的元素如鐵、鈷、鎳等沉向球心，較輕的元素如矽、鋁等則浮在表面，更輕的氫、氮、氧、碳等則分佈在外圍。當溫度繼續下降，地殼變冷，於是所有的水蒸氣都降下來，這場雨一下就是好幾個世紀！地面開始積水，大水匯積形成原始海洋。

原始海洋即便有點鹽份，也很低。然而，隨著風化和侵蝕作用，岩石中的鹽類（礦物質）進入海洋。雨水含有少量從空氣來的二氧化碳，帶點酸性。當雨水降至地面，會溶解岩石中的鹽類，跟著水份進入溪流、河川，最後匯注大海。

隨著氣象因素引起的水循環，從海洋蒸發的水幾乎是純水，鹽類留下來，更多的鹽類繼續流入海裡，可是鹽類仍保持在百分之三點五左右，其中百分之九十以上是氯化鈉，也就是狹義的鹽。那麼過多鹽類往哪兒去了？

生物會吸收鹽類，例如珊瑚蟲、軟體動物和甲殼類會吸收碳酸鈣，矽藻會吸收二氧化矽，魚類會吸收碳酸鈣、磷酸鈣等。生物體內的鹽類終究會以屍體或糞便的形式沉到海底，成為沉積岩的一部份。地殼的板塊運動，可以使得海陸易位，所謂滄海桑田不僅僅只是個形容詞而已。如此這般，鹽類在海陸之間循環，使得海水的鹽類一直維持在百分之三點五左右。

海水的含鹽量並不平均。舉例來說，地中海是個半封閉的水域，因為蒸發的關係，含鹽量較高。紅海兩岸熱帶沙漠夾峙，降水量又少，含鹽量就更高了。孤立的水域只要注入的淡水不足，就可能會因為蒸發作用變得愈來愈鹹，死海就是最著名的例子。