水滴究竟是怎麼鑿穿頑石的?


水滴究竟是怎麼鑿穿頑石的?的頭圖

水滴究竟是怎麼鑿穿頑石的?

小學生都聽說過水滴石穿的故事,長者通常以這個成語教育孩子做事情要堅持不懈,功到自然成。 “水滴石穿”最早出自《漢書·枚乘傳》,它描述了一個自然現象:水雖柔弱無形,但經年累月也能將石頭鑿穿。

水是怎麼滴穿岩石的呢?這其實是個有趣的科學問題,水滴靠的不是蠻力,它打的是一套“組合拳”,中間包含著物理和化學過程。

水無定形

  • 水的能量

下雨時,水滴從幾千米的高空掉落下來,你有擔心過腦袋被砸破嗎?顯然不會,除了把你澆成“落湯雞”讓你著涼之外,雨點並不會造成什麼傷害,孩子們很喜歡在雨中玩水呢!

孩子們喜歡在雨中玩耍

由於空氣阻力的原因,雨滴最快的下落速度只有約8米/秒。通常雨滴的大小在3毫米左右,最大不超過5毫米直徑,更大的雨滴會在空氣中散開變成小水滴,因此雨滴的最大質量大約是0.065克。按照動能定理,我們可以算出一個雨點落到地面時的最大動能為0.002焦耳。

水很輕柔

雨滴的動能是如此之小,以至於落到身上時我們對它幾乎沒有感覺,更談不上有什麼傷害。為什麼它能將堅硬的石頭鑿出小坑,甚至將石頭滴穿呢?

  • 侵蝕

在地球科學中,我們將水滴石穿的過程稱為“侵蝕”。水或風通過持續的侵蝕作用,將岩石表面物質剝落、溶解,然後搬運到其它地方。

侵蝕是一個自然的過程,但水滴石穿卻經常伴隨著人為因素。我們很少在自然界裡找到石頭被滴穿的例子,但在人們屋簷底下的磚石上卻挺常見。

石階被水滴鑿出了一排小坑

一個重要原因是屋簷會將雨水聚集起來,在它的下方形成落點穩定的涓涓細流,而在自然界你比較難找到這樣的地方,或許在一些崖壁的下方會有比較明顯的水滴侵蝕痕跡。

屋簷下容易出現水滴侵蝕現象

在愛爾蘭克朗莫爾(Clonmore)的鄉間,你會見到一些上面分佈著凹坑的花崗岩石頭,關於它的來源有許多爭議,但科學家們認為這些石臼不是自然侵蝕形成的,這可能是古代愛爾蘭人用來搗碎穀物的地方。

這些坑不是水滴形成的

  • 侵蝕的過程

當水滴從空中下落撞擊在岩石表面時,它攜帶的動能會對岩石造成衝擊。小於3毫米的水滴在下落的過程中是球形的,而大的雨點則由於空氣的阻力變成窩窩頭的形狀。

水滴的形狀

當大的雨滴撞擊地面時,它會在中心點產生聚能效應,從而對岩石表面造成破壞,儘管這種破壞很輕微,但從微觀角度看起來是不可忽視的。水滴表面張力傾向於保持水滴原來的形狀,從而將大部分動能傳遞給中心的那個小氣泡,於是在這個氣泡的周圍集聚了很高的能量,岩石表面結構會被這種能量破壞,從而形成一個缺陷點。

水滴下部高壓氣泡聚集能量

實際上,岩石的表面並不總是十分平整,因此即便是小雨滴撞擊時,它也會在凹陷處形成強大的應力,衝擊波會擴大並加深那些小的凹坑。

水滴衝擊能量在凹陷處被放大

你可能會問,當石頭表面的凹坑繼續擴大,變成一個小水坑時,水滴就無法撞擊到岩石表面了,它又是如何繼續向下深挖的呢?當岩石表面形成小水坑,水滴不能直接撞擊岩石,但它在衝擊水面的同時會產生一個向下的橫波,這個波同樣將水滴的衝擊能量傳遞到岩石表面,如果岩石表面有掉落下來的石英砂,這些小的砂粒會像砂紙一樣打磨岩石,進而造成新的損傷。

衝擊波將能量傳遞到水底

在寒冷的冬天,那些滲透到岩石縫隙裡的水會結冰膨脹,膨脹的冰擠碎周圍的岩石,進而加深其深度,擴大凹坑的範圍。

  • 水的化學侵蝕

水滴的撞擊、摩擦以及冰膨脹過程中的壓裂都屬於物理侵蝕,水滴石穿同時還是一個化學侵蝕。

石灰岩廣泛應用於我們周圍的建築材料,其主要成分是由細小的碳酸鈣和石英顆粒結合而成,它來源於遠古時期海洋生物甲殼的沉積。

碳酸鈣基本不溶於水,但它會與酸反應。當雨水中溶解有微量的二氧化碳時,水就變得更加酸性,這時候水里的碳酸就會與石灰岩中的碳酸鈣發生化學反應生成可溶於水的碳酸氫鈣:

CaCO 3 + CO 3 + H 2 O→Ca(HCO 3)2?

碳酸氫鈣被水沖走,在岩石表面留下的孔洞將加劇氣蝕過程中的“空化”效應,使侵蝕加速。

溶洞的形成伴隨著化學侵蝕

大自然許多鬼斧神工的景像都是石灰石被水流侵蝕“雕刻”而成的,這其中除了物理沖刷的作用外,起關鍵作用的還有溶解在水中的二氧化碳對碳酸鈣的溶解。

  • 總結:

水流的侵蝕塑造了我們今天地球表面的地形地貌,但水滴石穿經常要靠人類的幫忙才能完成。

我們用屋簷將雨水聚攏在一起形成水流,這樣水滴能夠反复撞擊下方岩石特定的範圍;水滴撞擊的瞬間,它的動能會通過高壓氣泡聚焦在岩石表面,其後的水滴會擴大岩石破損的表面;水滴能通過激波沖刷岩石,還能通過結冰膨脹來擴大岩石的縫隙。

水滴在通過物理的方法雕琢岩石的同時,還利用二氧化碳來溶解岩石,從而達到化學侵蝕的作用。

水滴造成的深孔

無論是物理還是化學的侵蝕,水滴打磨岩石的過程都極其緩慢而且漫長,經過許多年的努力,終能達成鑿穿頑石的目的。