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科學知趣

活水的奧秘

蘇美靈

 

  聯合國曾經定1980年代為“國際水之十年”(International Decade of Hydrology)。原來全球人口的三分之一是沒有自來水供應的,在發展中國家的人口中有五分之四的人口未獲食水供應的方便,十分之九的人口沒有衛生間的設備,不少傳染病,例如霍亂,痢疾,傷寒等都是由水中傳播的病菌引起。不少嬰兒和幼童因為飲用不清潔的食水而生病死亡。據估計,每年有二千五百萬五歲以下的兒童因此致死(每天約七萬人)。因此,第三世界國家均致力改善食水的供應問題,減低致病細菌的傳播。曾有人問一位居住在印尼某村落的人有甚麼願望,若是問着我們,我們的答案可能是升職,加薪,環遊世界,出國深造等等,但出人意料之外,這人的答案是:我希望有一個可以供應食水的水龍頭。在非洲肯亞的婦女,平均一天要步行十哩路才能得到一點水供一家人之用。但在美國,個人平均用水量竟然是非洲人的二十倍至二百倍。下表是一些用水量的資料:

 

國家 每人每天用水量(公升)
美國 1/ 沒有花園泳池者
2/ 有花園泳池者
100-350
1000
印度   20-70
肯亞   2-5

 

  在很多開發中國家的落後村落中,只有一個水龍頭,村民要輪候很久才能得到僅夠自己一家飲用的淡水。

  水,無疑是維持生命的主要物質。植物體內,原有90%是水分,一般動物也有70-80%的體重是水的重量。在海洋的生物,例如水母和無數海產的幼蟲則有99%是水。人體也有70%的重量是水。連在乾旱沙漠生長的植物也有40%的水分。科學家指出,水是一種十分獨特的物質,跟其他物質的特性截然不同,也違反很多化學定理。例如水的固相比液相輕,一般物質均是固相比液相重,因此在海洋,湖泊,河流內生長的生物,在冰封期也不會死亡,可以在冰塊下自由游動。生物體內的各種活動,例如消化,排泄,生殖,神經傳遞,酵素活動等,都有賴水的幫助而得以完成。但水在大自然的循環和功用,直到現在還有很多奧秘未被人完全了解。聖經雖然不是一本科學書籍,但從不少經文中,我們可以看到神藉着祂的僕人,寫出一些水之循環的原理。同時,生態學家在這個世紀才慢慢揭開水之謎,驚嘆聖經的無誤和寶貴。

一. 水之循環

  這地球的資源並非取之不盡用之不竭,它的“有限”(Finiteness)是在這數十年間才逐漸引起科學家的關注。自從1930年代在中東發現原油以後,很多人滿以為原油的資源是可以無限量地開採。直到1970年代原油禁運以後,科學家才開始研究地球的原油蘊藏量,以我們現時的生活方式估計,到2050年,地殼內蘊藏的原油將會用完。先進國家有見及此,便致力發展核能發電,希望解決原油短缺的危機。但時至今日,核能仍不能取代原油的地位,核子科技雖然為人類帶來不少好處,但也為我們帶來核災難。地球的原油資源是有限的,照樣,水也不是無限量的。在宇宙洪荒之時,水的總存量和現今的總存量並沒有分別,人以為地球有72%是海洋,就算淡水用盡了,所有的湖泊都乾涸了,雨也不再下了,人仍可以用科技將海水化淡。但1980年代的生態研究發現海洋和陸地的比例是不可以隨意更改的,生物需要在空氣,海洋和陸地比例1260:8300:1的環境下才能生存的。浩大海洋是用來調節氣溫和空氣濕度的。萬一海洋對陸地的比例改變,便會帶來難以估計的災害,生物不能得到足夠的氧氣,地球的氣溫不斷上升,生物因為不能忍受高熱而死亡。這理論充分反映神對受造物的愛:

為滄海定出界限,使水不越過。(箴言8:29)
祂度量諸水,祂為雨露定命令。(約伯記28:25-26)

在創世之時,神已為海水定了界限說:“天下的水要聚在一處,使旱地露出來。事就這樣成了”(創世記1:9)。我們或會以為海水這麼多是用不完的,可是人不斷移山填海,增加沿海平地,以供建造房屋,卻改變了海水和陸地的比例。此外,在人還未完全明白那些生長在沿岸的生物在這些生態環境中的作用之前,人們已將它們殺滅了,不少沿海生物正面臨絕種的威脅,因此,現在有不少環境保護者呼籲政府勿在這些低窪地區進行建設工程,因為生物一旦絕了種,沒有可能再出現了。另一方面,在世界某些地區,例如巴西和孟加拉,經常發生嚴重水災和風災,造成不少人命傷亡和財產上的損失,皆因為他們在這些近海岸的低窪地區居住,只求方便,不理會生命的危險,結果受害的乃是自己。究竟水在自然界的運行是怎樣的呢?

  1. 貯藏庫

  水是自然界的一項主要資源,和其他主要原素一樣,在自然界循環不息,例如,氮氣循環,氧氣循環,硫黃,磷和鈣的循環等等。在這貯藏庫裏的資源是可以和在循環庫的資源互相交替,剩餘用不着的便藏在貯藏庫中,其他的便在自然界中循環。地球所擁有的水並不限於在海洋,湖泊和河流內,當我們念到出埃及記十七章6節之時,或會以為聖經的記載不符合科學的原理,神怎可以吩咐摩西用杖擊打磐石而得水呢?但根據科學研究的結論,在地層內的水,即包括在石頭和在水成岩中的水,竟然佔全地球總貯藏量的95%,即是說,全球95%的水是被封鎖着不能運用的,但能循環的水只有5%。出埃及記第十七章6節說神開了磐石裏面的水,也許便是把水由封鎖着的狀態變為自由狀態,可以自由流出來,供給以色列人在曠野四十年的飲用。這是神對祂的選民特別的安排,因為在沙漠曠野哪有自由暢流的水呢?

“從磐石裏必有水流出來,使百姓可以喝。”(出埃及記17:6)
耶和華對摩西說:“我必在何烈的磐石那裏,站在你面前。你要擊打磐石,從磐石裏必有水流出來,使百姓可以喝。”摩西就在以色列的長老眼前這樣行了。(出埃及記17:6)

  2. 可循環庫

  “可循環庫”的水佔了地球總水量的5%。在這5%中,海洋佔了97.2%,是最不活躍但存量最大的一部分,海洋佔了地球表面積的四分之二,默默地影響着地球的氣候和風向,對人類的食物供應和污水排放等用途實在功不可沒,陸地上的湖泊,河流佔了0.64%,跟海洋不同,它們提供了淡水生境動植物的所需,另外有0.001%的水以氣的形式留存在大氣層中,維持了空氣的濕度。太潮濕的天氣,我們固然不好受;但乾燥的天氣,又令我們的皮膚乾裂。幸好在一年中絕大部分的時間濕度適中,令我們有清爽的感覺。水在南北極地區的冰山則佔了2.15%,冰山能夠調節全球的空氣濕度,餘下的極少部分水以其他形式存在,例如成為動植物身體的一部分等。

  水可以從海洋,湖泊和泥土蒸發到大氣層中,從植物蒸騰出來,和從動物身上經由流汗和排泄排出體外,再蒸發到空中。綜合以上的運作,稱為“蒸散作用”,水分在空氣中以水氣的形式存留,水氣在空中遇冷便凝結,成為雨水降下來,下在大海和大陸上,再形成冰川,湖泊。由此可見“可循環庫”是由很多成員組成,成員間互相連繫,循環不息。
  水停留在“可循環庫”各部分的時間是不同的,例如在大氣層中的水分,它們的循環週期是9-12日,就是說,每9-12日便由新的水蒸氣替換一次。河流的循環週期是12-20日。但泥土中的水分需要280日才能循環一次。至於海洋的水,它們的循環週期更長,需要3100年才能完全替換一次。

水之分佈及循環週期

  百分率 地點 存水量(1017kg) 循環週期
1 97.13 海洋 13200 3100年
2 2.24 冰川 292 6000年
3 0.303 四千米深之地下水 83.5 300-4600年
4 0.009 淡水湖 1.25 10~100年
5 0.007 鹹水湖+死海 1.04 10~100年
6 0.003 泥土 0.67 280年
7 0.001 空氣 0.13 9-12年
8 0.0001 河流 0.013 12-20年

 

  太陽能是推動水在“可循環庫”中的主要動力來源。陽光每一分鐘給與大地2.55×1018卡熱量,使水從泥土,海洋,河流,湖泊向上蒸發,使植物產生蒸騰作用,用以調節植物身體的溫度,以免遭受熱害,同時也有助於植物吸取泥土中的養料。這種效應亦發生在某些動物身上,烈日使牠們流汗,由於水的潛熱量高,流汗可以保持身體涼快,免得中暑。據統計,23%的太陽熱能是用來推動這個水循環過程。這個循環系統像一副巨型的蒸餾機器,由太陽供應燃料,保持運作。太陽每年將五億立方米的水蒸發到大氣層,奇妙的是雖然從海洋蒸發到大氣層的水分佔總蒸發量的83.3%,但在海洋上空的下雨量,只佔總下雨量的76.2%,那就是說,雖然從陸地上蒸發的蒸發量只有16.7%,但陸地卻可以獲得23.8%的雨水。這是由於風的作用,將雲層向陸地上吹去,使更多的雨水降在地上滋潤大地。這個水循環有賴蒸騰作用和下雨現象的平衡,才能保持正常的運行。

 

地區 地球表面積% 蒸騰% 下雨%
海洋 72 83.3 76.2
陸地 28 16.7 23.8

 

  現在讓我們再深入探討水循環的每一成員所擔當的角色。水分向大氣輸送可以保持空氣的溫度和水量。由於稀薄的空氣對水氣產生冷卻作用,水氣上昇到某一高度便被冷卻成小水點,繼而聚成雲塊,當雲塊形成相當厚度時,便降下雨來。下雨之時,一部分的水滲入地下,貯藏在泥土裏,植物便得到足夠的水分供應;另一部分流入地下水層,成為地下水。據估計地下水的存量是地面水源的三十倍。生長在平地或山坡上的花草樹木的根部,可以大大阻慢水的流量和速度,使水有更充分的時間滲入泥土裏,但也有不少的水在地面上流走了,直奔向河流和大海。可惜人不斷砍伐大樹,泥土沒有樹根抓住,便大大增加水災的可能性。據資料顯示,近年來的水災和洪水泛濫,都是由於大量樹木被砍伐,增加了河流的水流量和表土水分流失,以致造成不少人命傷亡。此外,由於都市建設,原是樹木參天的原始森林,曾幾何時,今天都鋪蓋了三合土,嚴重干擾了水的循環,增加了表土水分的流失,亦減少了水從泥土蒸發的作用,水不能滲入泥土,結果,不少寶貴的食水便白白地流入大海,不能被陸地的動植物使用。另一方面,由於城市空氣污染,城市上空漂浮着大量微塵,原來微塵是很好的聚水核心,增加了城市上空大氣層的吸水能力,影響了下雨量,城市的雨水偏偏較郊區為多,這是大城市常常豪雨成災的原因。相反地,田野卻常常鬧旱災。

  在傳道書一章7節記載着說:“江河都往海裏流,海卻不滿;江河從何處流,仍歸還何處”。早在三千年前,聖經所記載的水循環系統已是如此清楚,但科學家在二十世紀才明白“江河從何處流,仍歸還何處”的原理。因為江河的水來自雨水,河流和海蒸發的水又再被提上雲層而下降為雨。

二. 水的用途

  水在我們日常生活中的用途算是數之不盡的,因為我們幾乎在任何時刻都需要用水。下圖是一般比較現代化的家庭,每人每日耗用350公升水的分配情況,當然不包括那些擁有花園洋房,私人泳池和數輛汽車的家庭,因為他們每人每天的用水量很可能高達二千公升!

 

活動 用水量(公升)
沖廁 140
沐浴 105
洗衣,碗 70
飲用 19
洗臉,刷牙 16

 

  此外,農業用水佔全球用水量的70%,為了提供食物,估計每人每日間接耗用高達2,543公升的淡水,以供灌溉,施肥,播種,收割和沖洗等用途。在工業方面,絕大部分的工業活動,例如發電,採礦,煉五金,煉油,製造紙張,塑膠用品,鋁,汽車等等都需要大量的水,平均每人每日消耗工業用水高達4,518公升。娛樂活動方面亦消耗大量淡水,例如泳池,水族館,海洋館,噴水池等,飼養寵物,亦需要大量用水。
  在先進國家有水質管制法例,飲用水跟工業用水和農業用水的水質要求截然不同,工廠和生活廢水必定要經過二級或三級處理才可以排放到河流或大海。但發展中國家在這方面的管制較鬆,以致不少人因飲用不清潔的水而生病,甚至有人飲了含有鉛或鎘的工業廢料的水而死亡。

三.問題種種

  由於工業發達,人們的生活水準提高,享受要比上一代的人更好,追求舒適的生活,一切都要自動化,機械化和電腦化,結果發覺食水的來源越來越少,水質越來越差。不少海灘已嚴重地受到工業污染,人的生活素質不但沒有提高,反而比以前更差。因此又有科學家提出一些妙計,希望可以解決水荒的問題。另一方面,由於工業產生大量的熱廢氣,直奔大氣層,早在1930年代已有人發出警告,因為這樣會造成“溫室效應”,將大氣的溫度提升,表面看來,大氣層增加一,二度的問題不大,但卻大大影響生物的正常活動。因為當氣溫提高了,呼吸量也相應提高了,農作物的收成會反而下降。另一方面,若北極或南極的冰山由於溫室效應而溶解,海平線便會上升數米,足以將各國沿岸的大城市(包括香港)淹沒,原來冰山的存在是要固定大氣層的氣溫,緩和陽光對地面和海岸的效應。
  現在有人嘗試用人造雨的方法增加雨量,將碘化銀或乾冰向天空排放,但即或成功,只是將雨水由天空的這一方扯向另一方,但總降雨量是沒有增加的,反而造成另一個地區沒有下雨。在1970年代,不少國家投資興建海水化淡廠,希望可以藉此將不能飲用的鹹水變為淡水,但這辦法所費不菲。在中東提煉一公升水的成本可能比一公升汽油還貴。

  地球上的水量應足夠一百億人的日常所需,但由於種種政治,地理和經濟的原因,地球的水源不能平均分配,正如糧食供應一樣,不少國家豐足有餘,甚至要將多餘的農產品傾入大海或予以銷毀,但無數第三世界的人口仍在飢餓的邊緣,跟死神搏鬥。根據聯合國統計,若要供應全球人口的食水,每天所花的費用是八千萬美元,這數目看來雖然龐大,但全球的吸煙者每天卻花掉一億四千萬美元,同時,每天用於軍事上的支出竟高達十四億美元。世人所面臨的問題並不是資源的短缺,乃是資源的分配不平均。水,正如空氣,陽光,泥土和樹木,都是神白白賜與世人享用的,不應長期貯藏,據為己有。空氣和陽光的供應是不受政治和國界所支配,但水源卻被國界所劃分。因此,有些人便任意揮霍,有些人卻因為缺水而死。照樣,若空氣要用錢去買的話,又或者要用輸送管輸送供人用的話,恐怕全世界有大半以上的人都要因缺氧而死了!

四.活水之道

  聖經多次題到水和生命的關係,一個人可以絕食四十天,仍不致死亡,但三天不喝水則會因脫水而死。以利亞在饑荒時期曾奉神命到基立溪旁居住,由慈烏養活了一些日子,直到溪水乾了,才到西頓的寡婦家裏去。水雖然是一個簡單化合物,但沒有其他東西可以取而代之。現代人們不願吃白糖,有“代糖”出現,不吃鹽也有“代鹽”,不願吃牛油也有“植物油”,但卻永遠不可以有“代水”或“化學水”(Synthetic Water),因為水雖然是由氫和氧化合而構成,但它是推動一切生物活動的基本動力。

  聖經以水代表生命力。伊甸園是由四道河水所滋潤,而在天堂也有生命泉供給人享用。主耶穌與撒瑪利亞婦人在烈日下詳談活水之道時,指出人若喝了井裏的水仍會再渴,但喝了主所賜的活水則永不再渴。耶穌於住棚節來到耶路撒冷,對眾人宣佈說:人若渴了,可以到我這裏來喝,信我的人,從他腹中要流出活水的江河來(約翰福音7:37,38),不但自己得到飽足,更可以滋潤別人乾渴的心靈,使別人獲得幫助。在先知阿摩司時代,神也用水的道理來作比方,祂說:“人飢餓非因無餅,乾渴非因無水”(阿摩司書8:11),乃是因為人的心裏充滿罪惡,不聽耶和華的話,沒有活水之道。

耶穌對那撒瑪利亞婦人說:“凡喝這水的還要再渴;人若喝我所賜的水就永遠不渴。我所賜的水要在他裏頭成為泉源,直湧到永生。”(約翰福音4:13)

節期的末日,就是最大之日,耶穌站着高聲說:“人若渴了,可以到我這裏來喝。信我的人就如經上所說:從他腹中要流出活水的江河來。”(約翰福音7:37,38)

  今天神不但將人必須用的水白白賜給我們,更將喝了使人永不再渴的活水賜給我們。我們一方面要感謝神豐盛的恩賜,另一方面又要使自己成為一條常流活水的江河,使週圍的人得滋潤。

選自作者著:聖經與生物學,第二集。基督教天人社出版

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2019.11

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