2009年9月9日

從水天一色談溫室效應

作者/劉廣定(台灣大學化學系名譽教授)

水天一色,是古人用來形容水色所呈現的美景。而以今日科學的眼光,水的分子結構不僅造就了它的顏色,也與引發溫室效應有關。

時令已入孟秋〔註一〕,大約1400 年前王勃寫下迄今仍膾炙人口的名句︰「落霞與孤鶩齊飛,秋水共長天一色」,描述秋日從南昌滕王閣上觀賞到的景色。遙想當年,秋高氣爽,晴空萬里,間有白雲數點飄蕩,偶見單飛之鳧,而清徹的贛江水與青天連為一色,這是沒有環境汙染的好天氣所呈現的美景。不僅秋日,春季亦然,「春水碧於天,畫船聽雨眠」不也是寫水天一色嗎?〔註二〕

無雲的天空顯現藍色,是由於可見光的紅、橙、黃、綠、藍、紫各色光中,藍光和紫光的波長短、頻率大、能量也大,空氣分子散射藍光和紫光的效率因而較好。一般人肉眼對藍光的敏感度超過紫光,所以我們看到的晴空,無論日夜,多是藍色,也因此李商隱才吟出了「嫦娥應悔偷靈藥,碧海青天夜夜心」的千載絕唱!

水為淡藍色

江河之水為何是藍色的?一種說法是水中植物呈現的顏色,也可能是由於天空或水邊植物的「倒影」,所以說「高山青、澗水藍」。但是,即使滿天烏雲,海水還是藍的,這又是為什麼呢?因為水本來就具淡藍色。或許有人會懷疑:教科書裡不是說「水是無色、無味、無嗅的液體」嗎?

實際上,教科書錯了!若水無色,那麼深水(例如海水)為何常為藍色呢?1993年有兩位科學家以實驗證明水本來就是淺藍色,只是水不夠深時,一般肉眼看不出來罷了〔註三〕。他們用一垂直懸掛、直徑4 公分、長3公尺的鋁管,以透明無色壓克力片封閉一端,管中注以純水,在管的下端放一白紙並令日光照射其上,然後以肉眼從水管上方觀察,果然「水是藍的」!其原因是水分子內O – H 鍵振動的倍頻(overtone)組合吸收所造成。

理論上,含n 個原子的非直線形化學分子都有3n 種基本運動模式:3種移動, 3 種轉動以及3n-6種振動。水(H2O)是非直線形分子,故其中O–H化學鍵有「對稱伸縮」、「不對稱伸縮」和「曲折」3 種振動模式,它們會吸收在2.738、 2.662與 6.226 微米(μm)的紅外線區光能,發生振動。

但是水分子吸收光譜在波長660~760 奈米(即0.66~0.76 微米)處又有微弱的倍頻(overtone)組合吸收,吸收紅色光而顯現其互補色——藍色。惟顏色極淡,若不夠深,看不出來,才會讓人以為水是「無色」。

其實,在環境汙染嚴重的二十一世紀仍可以看到「水天一色」,只不過是天色昏暗、水質混濁一片,不再是美麗的碧水青天罷了。

註一:今年8 月7 日為立秋。
註二:韋莊〈菩薩蠻〉(「人人盡說江南好」闋)。
註三:Braun, C. and Smirnov, S., Whyis water blue?, Journal of Chemical Education,vol. 70(8):612-614, 1993.【更詳細的內容,請參閱第477期科學月刊】

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