智慧之窗: (科學與信仰) 水荒

2018年9月
◇黃小石

人體的成分主要就是水。剛生下來的嬰孩身體水份比例最高,約佔其體重的75%,以後隨著年齡的成長,身體裡的水份就慢慢減少到60%左右。我們說「女人是水做的」,其實這是不對,因為一般女人身體的脂肪成份比男人高,脂肪含水量低(水與油是不相容的),所以女人的含水量可以低到55%,雖然還是超過體重的一半,但是比起男人體內的水份要低10%以上。就算褒姒傾周、妲己亡商都是史實,我們不說皇帝好色是「禍首」,而說女人標緻是「禍水」,這樣不但缺乏生化佐證,也有失公允。
水可以說是世界上最珍貴的東西,卻少有人在意。「覆水難收」通常是指收不回的感情(或離異的婚姻),其意不在可惜那倒在地上的水,因為到處都是水。然而若是沒有水,就不可能有生命。人活著需要水,而且是需要淡水。
地球上雖然有許多的水,但絕大部份都是鹹水。根據Shiklomanov 教授的研究,地球上96.54%的水是海水,還有0.93%的水是含高鹽份的地下水,因此所有的淡水加起來不到2.6%,而其中三分之二的淡水是以冰雪的狀態存在,我們可以方便採用的淡水(河川湖沼等)其實相當有限,還不到萬分之一。所以只要一段時間天不降雨,那裡居民的問題就大了。「人定勝天」仍然只是人喊了很久的口號而已。

水荒
因為全球氣溫的暖化,地上的氣候模式逐漸改變,哈德里環流圈(Hadley cell)擴大,造成亞熱帶的降雨帶往兩極遷移,帶來非洲、澳大利亞洲局部乾旱的現象。根據聯合國的估計,到2025年全球將有14%的人口會有水荒的問題。南非的第二大城開普敦市(Cape Town靠近南緯34度)自2012年來已雨量不足,目前逐漸進入嚴重水荒的狀態,要不是近來下了幾場大雨,南非官方預計在2019年所有蓄水池的水量,將會降到13.5%,(他們稱那天為Day Zero),屆時政府就被迫停止供應自來水,居民每日僅能前往供水中心取25公升的淡水使用。在南美洲的巴西有450萬居民的聖保羅市也處於亞熱帶(南緯23.5度),自2014年開始也出現了100年來最乾旱的現象。
在北半球相當緯度的大城市洛杉磯(北緯34度),美國加州從2011年也開始鬧水荒,直到2017年尚未見紓減。近年來加州森林大火連連,2017年共有9133次大火,燒毀138萬英畝林地。這相比起2014年共燒毀的林地面積大3.3倍,比在2011年共燒毀的林地面積大8.2倍。2018年8月6日北加州門多西諾大火,又已超過2017年年底南加州托馬斯大火的紀錄,成為加州有史以來最大的火災,哪裡乾旱的趨勢不能再明顯了。
由於加州盆地的水源科羅拉多河也缺水,於是加州的農作物得靠大量鑿取地下水灌溉。自2006年到2016年,加州的地下水一共減少了50立方公里(每立方公里等於10億立方公尺,就是1萬億公升;每公升相當約0.25加侖)。由於取水量太大,加州地下水位降低多達30公尺。根據衛星偵測的結果,我們發現聖華金河谷許多地方地面迅速下沉,有些地方在4個月之內地面下沉13公分,那裡真是名副其實「天高一尺」了。
加州取出50立方公里的淡水,非同小可,可供南非開普敦市四百萬居民(最低)1250年的用水量!當然每人/每日用水遠遠超過基本的7加侖:美國人平均每日總用水量是2400加侖,其中1/25是家庭用水。我們的食物所需用水量甚高:比方每公斤的牛肉需要4000加侖的水來餵牛(600公斤重的牛,需要240萬加侖的水);一公斤的巧克力需要6000加侖水來灌溉及製作,連一張印表紙都需要2.5加侖水生產。根據2012年美國科學雜誌的報導,美國、中國、印度每年所用淡水都超過1萬億立方公尺,是世界用水最多的國家。

淡化海水
如果水不夠用,又不常下雨,那怎麼辦呢?中東一些濱海國家可以發展「淡化海水」的技術。原則上並不困難。其一是用蒸餾的方法,其二是用過濾的方法。這兩種方法都被採用。目前淡化水的價位,1000加侖約為美金3元,以後可降到每1000加侖美金1元。
蒸餾法將海水加溫(亦可利用真空低壓及「多級閃蒸」等技巧),水氣遇熱揮發而鹽分仍然留在溶液(海水)中。若將揮發的水蒸氣冷卻凝聚收集,就可取得淡水(蒸餾水),基本上與下雨是同一種過程。
過濾法又稱「逆滲透」法(Reverse osmosis),使用「半透膜」讓水分子可以通過,而鹽分子卻被阻隔。在一般的情形下,水分子從半透膜鹽分低的一方,滲入鹽分高的一方。但是若在鹽分高的這邊加上足夠的壓力,就可以把水分子從鹽分高的一方,經半透膜推往清水(鹽分低)的一方,如此就能從鹹水中取得淡水。合適的半滲透是這技術的核心。
以色列位於地中海東岸,一向乾旱缺水,故在當地設有許多淡化海水的設施,目前以色列40% 的用水來自淡化海水。沙地阿拉伯也急起直追,他們已擁有全球24%的海水淡化廠。另外阿拉伯聯合酋長國,也是一個在波斯灣擁有大量石油卻沒有水的阿拉伯國家。他們在杜拜建造了目前世界最大的海水淡化廠,每年可產生3億立方公尺的淡水,相當可觀。然而這比起現今世界一年用水量,只不過是其10萬分之一而已,不但如此,世界人口仍然不斷在迅速增加。

人造雨
除了淡化海水的技術之外,我們還在發展「人造雨」來補充水源。雖然人造雨的原理我們早已知道,就是讓在雲層中的小水滴凝聚成為大水滴而降落為雨。最常用的「催化劑」是碘化銀(充當冰晶核),不過這是一種催進「凝聚現象」的方法,所以碘化銀不當稱為「催化劑」(沒有發生化學反應)。至今人造雨(其實是「人催雨」)的果效並不顯著。而且人造雨也不能無中生有,天上必須先有足夠的水氣及雲層才有雨可下。
那麼水是哪裡來呢?有人說是上帝造的。上帝怎麼造水呢?我不知道,但知祂其實不必造水,只用造氫與氧就行了。那祂怎麼造氫與氧呢?其實祂也不必造氫與氧,祂只用造電子與夸克(quark)就行了。那麼祂又如何造電子與夸克呢?可能祂只用造一個「統一場」就行了。據現時我們所知,祂只用造這「統一場」,整個我們目前所知的物質宇宙就出現了。高明!