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地球如調酒師,生成風格各異的岩石——《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》

貓頭鷹出版社_96
・2021/04/03 ・2070字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 544 ・八年級
  • 文 | 貝鳶業如

調酒與比喻

讓我們設想一下「混合」。

我一向很喜歡攪拌器上同義詞詞典般的動詞列表:攪動、揉捏、切碎、絞碎、絞爛、打汁、攪打。

這些動詞體現了一些關於混合的基本物理事實。

首先,固態元件必須先化約成小的粒子,才能與其他物質有效混合。碾磨不僅在細微的層次上製造出較為均質的混合物,也能夠提供較大的表面積,讓粒子與周圍的介質互動(因為小物體有較高的表面積體積比)。

其次,混合的重點在於運動使系統中的每個部分至少都與其他部分產生短暫的接觸。高速的無序運動(即流體機械學專家所稱的渦流)比有序運動(流線運動)更有可能產生完全的混和。詹姆士‧龐德喜歡馬丁尼用搖的而不要用攪的,或許就是這個原因。

高速的無序運動如渦流,可以使系統中的每個部分至少都與其他部分產生短暫的接觸,產生完全的混合。圖/Pixabay

地球並沒有已經預設好的攪拌速度按鈕,那它又怎麼進行混合呢?唯有一股物質流從一地前往另一地時,混合才會發生,流的出現是對「不均等」的回應,也就是回應物理變量值的梯度或空間差異。我們可以將流設想成總是劫富濟貧的羅賓漢作用。這便是地下水流的達西定律與血液循環的泊肅葉規則的精義(參見第三章)。

地下水流、岩漿流和血液流,都是對壓力差異的回應。

地表水會往低處流,以彌補高度的差異(位能),熱的流動則會使溫度均一化。

擴散作用是最緩慢的一種地質作用,乃特定元素基於濃度差異,從一地運動至另一地而產生。在擴散流中,原子因應濃度的變化,透過一種「不動介質」而運動。這可能是個非常緩慢艱困的過程,介質是結晶晶格時尤其如此;就好像要在沒有大砍刀的情況下,穿越非常濃密的叢林一般。溫度高的時候,此種岩石中的固態擴散作用進行得比較快,但就算是在效能最高的情況下,擴散作用使原子移動的速率,也不可能快過每年五十分之一公分。液體中的擴散作用就快得多(比較像是散步穿過一片溫帶森林),氣體中的擴散則相當有效率(有如大步通行一片整理得很好的草坪)。

擴散作用是特定元素基於濃度差異,從一地運動至另一地而產生。圖/Pixabay

傳導作用熱能透過靜態介質,自高溫處往低溫處移動的作用(有如元素自火爐進入冷的平底煎鍋),其間的熱流也是一種擴散作用。

岩石中的熱傳導非常緩慢,因為岩石的導熱性是出了名的差。

不過在許多地質場景中,透過介質「漫步」(擴散)並非唯一的運輸選項。

有時原子和熱也可以跳上運動介質的便車,於是便能旅行較長的距離。這稱為平流,水通常是此種大眾運輸載具。溶解於移動地下水中的離子每年可以移動數十公尺,在地表水中則每年可移動數百公里,比透過乾岩石而擴散的離子乘客快得多了。

在較長的時間尺度上,岩石本身也成了平流的載具。地球的固態地函是個穩定但慢得不可思議的攪拌器,以一種稱為「熱對流」的特殊平流形態來翻轉自身,而熱對流也是板塊構造的驅動力。對流作用就跟傳導作用一樣起因於溫度差異,不過比較沒那麼間接。對流需要顯著的垂直溫度梯度,冷的物質要在熱物質的上方。就跟熔岩燈的情況一樣,地函岩石是自下方受熱(不是被燈泡加熱,而是被地核中的原始熱能和地函自身的放射性熱能所加熱)。

地函中的熱對流示意圖:溫度高、密度較低的物質向上移動,而低溫物質則往下移動。圖/wikimedia

對流的關鍵要素便是與溫度有關的體積變化,亦即受熱時擴張,冷卻時收縮(熔岩燈裡的染蠟,熱擴張的程度顯然比清油要大)。

由於較冷上層的密度比下方物質要高,這就造成了浮力的不穩定;上端會下沉,底部會上升,整個系統就開始攪拌自己,而此一系統上方的板塊,則以每年數公分的速率移動(剛好跟指甲生長的速率差不多)。

地球內部只有在物理變量發生偶然組合時,才會出現對流翻轉現象。若岩石的熱導性較佳,所需的溫度差異會被抑制,此種攪拌就絕無可能發生。若岩石受熱時沒有顯著的擴張,驅動對流的密度不穩定也就不會發生。若地球地函岩石的黏度更高許多,整個系統就會磨光而停頓下來。最後,如果地球的放射性元素較少,或這些元素的半衰期更短,行星熔岩燈的燈泡也會在很久以前就燒掉了。但地球的地函始終都還在繼續翻攪。

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——本文摘自《磐石紀事:追蹤 46 億年的地球故事》,2020 年 12 月,貓頭鷹出版社

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貓頭鷹出版社_96
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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。


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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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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)