幾乎不下雨的沙漠裡，生物要從哪裡取得水分？
― 牠們從霧中流動的「空氣之河」裡，把水過濾出來
世界上有些沙漠，一年的雨量連1毫米都不到。即使如此，那裡仍有昆蟲和植物生活著。水的來源，並不是從天而降的雨，而是從海上橫向飄來的霧。霧粒太小，幾乎不會落下來。因此生物們把身體伸進風中，「過濾」出流過來的水粒。
在霧氣濃重的早晨外出散步時，明明沒有下雨，頭髮和外套表面卻濕漉漉的。就算撐著傘，臉和瀏海還是會被打濕。
有時蜘蛛網只有在早晨才會像珍珠項鍊般閃閃發光。那是因為細細的蛛絲上，沾滿了許多霧粒。
有些生物，正是拚了命地利用這種「光是走著就會濕」的機制維生。舞台是南美洲的阿他加馬沙漠，以及非洲西南部的納米比沙漠。
能從霧裡取水，原因只有兩個
霧粒比雨滴小得多，幾乎一直懸浮在空中。就算在上方等著，也等不到。取而代之的是，它們隨著風，一波波從旁邊被帶過來。
空氣會繞過粗大的物體流動，粒子也會跟著一起被帶開。但細細的絲線或尖刺，粒子就來不及繞開而直接撞上去。沙漠生物的身體，正是配合這個特性演化出的形狀。
首先，讓我們來看看霧究竟有多麼「不會落下來」。
霧不是從天而降的水，而是橫向流過來的水
據說阿他加馬沙漠的沿海城鎮中，有些地方一年的平均雨量只有1毫米左右。日本大部分地區一年約有1500毫米的雨量，兩者相差超過一千倍。如果只靠雨水，生物根本無法生存。
然而，在這類沙漠的沿海地區，從冷海面上形成的霧，從夜晚到清晨常常會飄進來。據報導，納米比沙漠靠海的區域，有霧的天數一年可達數十天、甚至超過一百天。
霧粒的直徑，大多在100分之1到50分之1毫米左右，只有雨滴的百分之一大小。這麼小的粒子，會輸給空氣阻力，下落速度據說只有每秒1公分左右。只要稍微有風，被吹向橫向的距離，就會遠遠超過往下落的距離。
也就是說，霧並不是「降」在地面上的水，而是跟著空氣一起「流動」的橫向水流。霧氣濃重的日子，就像有一條看不見的河，貼著地面從海邊流向內陸。要從這條河裡取水，只能把某樣東西伸進水流中，讓粒子撞上去。
越細的尖刺或絲線，霧粒越容易撞上去
請看圖1。風吹向物體時，空氣會在物體前方改變方向，繞道而行。輕盈的霧粒，大多也會跟著空氣一起繞開。
這裡的關鍵在於物體的粗細。像左邊那樣粗的柱子，空氣會從很前面就開始轉彎。粒子從開始轉彎到抵達柱子之間，有很長的「緩衝時間」，因此能夠跟上空氣的流動。而像右邊那樣細的絲線，空氣會在絲線的正前方才突然轉彎。粒子因為慣性來不及轉彎，就這樣直接撞上絲線，被捕捉下來。
沙漠生物正是利用這種「越細越容易捕捉粒子」的特性，演化出適合的身體形狀。
納米比沙漠裡，有一種甲蟲會在霧氣瀰漫的早晨爬上沙丘稜線，面向風來的方向低下頭、翹高尾部站立。撞在背部和腳上的霧粒會聚集成水滴，順著背部的斜坡流到嘴邊。這種「霧浴」行為，早在1970年代就有相關報告。
阿他加馬沙漠裡，也有幾乎沒有根、在沙地上滾動生活的植物。它們的葉面覆蓋著像細毛一樣的鱗片，被認為能捕捉並吸收霧粒。仙人掌的刺和細葉植物的葉片，也被認為扮演著捕捉霧粒的「梳子」角色。
人類也學習了這套機制。在智利、秘魯等地的沙漠山腳下，人們架起以細線編織而成的大型網子，迎風而立，從霧中收集飲用水。據報導，每平方公尺的網子，一天可以集到好幾公升的水。
網子能集到多少水，會隨風力強弱而大幅改變。請用圖2試試看。
風力增為2倍，通過網子的霧量就會變成2倍，集到的水也會變成2倍。不過實際上，據說風力太強時，粒子會直接穿透網子，或是網子本身會受損。另外，圖中的數字是在假設霧的濃度與網子性能固定不變之下的概略值。
草上的晨露，是空氣中的水蒸氣在變冷的葉面上重新凝結成水滴。從霧中集到的水，則是空中本來就已經是水滴的粒子，被撞上後捕捉下來的。一般認為，沙漠生物會同時運用這兩種方式。
2001年發表的一項研究指出，納米比沙漠甲蟲的背部，排列著親水的小突起，以及疏水的溝槽。機制是：突起聚集霧粒、使其變大，再由疏水部位讓水滴滾動、運送出去。這個構想也被應用在集霧材料的開發上。
總結
霧粒太小，不會像雨一樣落到地面。取而代之的是，隨著風從旁邊源源不絕地流過來。沙漠生物把細細的腳、尖刺，或像毛一樣的葉片伸進風裡，讓這些粒子撞上去而被捕捉。因為越細的東西，粒子越來不及隨著空氣一起繞開，就直接撞上了。
沙漠的水，不是從天而降。
而是用細細的身體，從橫向流動的霧裡過濾出來的。
夜間降溫如何產生水分，請見晨露是怎麼形成的？；沙漠晝夜溫差極端的原因，請見為什麼沙漠白天酷熱、夜晚卻很冷？。至於把水儲存在體內的策略，也歡迎參考仙人掌的文章和駱駝的文章。
- 在起霧的早晨，把細線（比毛線還細的風箏線或釣魚線）和粗棒（像是保鮮膜的紙芯）並排放在通風處，靜置約10分鐘。
- 用手指摸一摸線和棒的表面，比較哪一個沾了比較多水。相對於表面積，線應該會濕得比較明顯。
- 沒有起霧的日子，也可以用噴霧器製造細小水霧，再用扇子搧出橫風，用同樣的方式比較看看。
蜘蛛網只有在早晨才會發亮，也是同樣的原理。如果找到了，不妨觀察一下水滴排列在絲線的哪些位置。
想了解更多 ― 用語、公式與教科書的對應從國中理科到大學專業科目，會明確標示這是哪個程度的內容
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「物理基礎」「生物」「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或教科書中專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（流體力學、氣膠科學、生態學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」教授、研究者目前仍在探究中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 霧：地表附近的空氣中飄浮著細小水滴，使能見度低於1公里的狀態。
- 海霧（平流霧）：溫暖潮濕的空氣流過冰冷海面而被冷卻後形成的霧。阿他加馬和納米比的霧都屬於這一類。
- 霧浴：甲蟲等生物在霧中把身體朝向風吹來的方向，把撞到身體上的霧粒當作水喝下的行為。
國中高中用公式驗證：集霧網一夜能集到多少水
網子集到的水，是「通過網子的空氣中所含的水分」裡，被捕捉到的那一部分。這裡使用和圖2相同的數值，算出1平方公尺的網子一夜能集到的水量。
| 用符號表示 | W ＝ L × v × A × η × t |
| 用文字表示 | 集到的水 ＝ 每立方公尺空氣中的霧水量 × 風速 × 網子面積 × 捕捉率 × 時間 |
| 公式從何而來 | 通過網子的空氣體積（風速 × 面積 × 時間），乘上該空氣中含有的水量。這就是「流過來的量 ＝ 濃度 × 流速 × 截面積」這個物質流動的基本思路（流量公式）。 |
| 符號 | 意義與單位 |
|---|---|
| W | 集到的水量（公克） |
| L | 霧的含水量。每立方公尺空氣中所含水滴的重量（公克每立方公尺） |
| v | 風速（公尺每秒） |
| A | 網子面積（平方公尺） |
| η | 網子捕捉霧粒的比率（0〜1，無單位） |
| t | 霧持續的時間（秒） |
| 霧的含水量 L（濃霧的概略值。據說約在0.05〜0.5之間） | 0.2 g/m³ |
| 風速 v | 每秒 3 m |
| 網子面積 A | 1 m² |
| 捕捉率 η（細線網子約2成左右） | 0.2 |
| 霧持續時間 t | 6小時（1小時為3600秒） |
| 比較用的雨量（阿他加馬沿海年雨量概略值） | 一年約0.8 mm（每平方公尺約800 g） |
| 每秒通過1平方公尺網子的霧水（L × v × A） | 0.2 × 3 ＝ 0.6 g |
| 每小時通過的霧水 | 0.6 × 3600 ＝ 2160 g |
| 其中被捕捉到的水（× η） | 2160 × 0.2 ＝ 432 g |
| 霧持續6小時所得的水 W | 432 × 6 ＝ 2592 g |
| 與一年雨量相比 | 2592 ÷ 800 ≒ 3.2 倍 |
一夜的霧，就能讓1平方公尺的網子集到約2.6公升的水。這是同樣面積的地面一整年降雨量的約3倍。不過網子是迎風豎立的面，雨則是落在地面的面，嚴格來說並非完全相同條件下的比較。即便如此，仍可以看出有些沙漠地區「流過來的水」遠比「降下來的水」多得多。
高中高中＋為什麼霧粒不會落下來
高中下落中的物體會受到重力與空氣阻力作用，兩者達到平衡時會形成固定的速度（終端速度）。粒子越小，相對於重量而言空氣阻力越大，終端速度也就越小。
高中＋像霧粒這麼小的情況，阻力會遵循與速度成正比的「斯托克斯定律」。此時終端速度與直徑的平方成正比。直徑0.02毫米的粒子，終端速度約為每秒1公分，與直徑2毫米的雨滴（每秒6〜7公尺）相比，只有數百分之一。
大學決定粒子是否撞上的數值：斯托克斯數
流動中的障礙物讓粒子撞上的現象，稱為「慣性撞擊」。粒子能否跟上氣流轉彎，可以用無因次數「斯托克斯數」來表示。這是粒子改變速度所需的時間（鬆弛時間），與氣流繞過障礙物轉彎所需時間的比值。粒子越大、風速越快、障礙物越細，斯托克斯數就越大，粒子就越容易來不及轉彎而撞上去。本文提到的「越細越容易捕捉粒子」，正是因為障礙物的粗細位於斯托克斯數的分母。實際網子的捕集效率，除了這種撞擊效率之外，還要乘上撞上去後沒有反彈而附著的比率，以及空氣被網子阻擋而從旁逸散的比率，綜合估算而得。
📖 公式推導與延伸內容：斯托克斯數（維基百科，日文） ／ 沙漠甲蟲背部的機制（Parker & Lawrence 2001）
研究目前尚未完全釐清的事
- 甲蟲的背部，真的是用來集霧的嗎？ 有人指出，擁有突起與溝槽背部的物種，實際上可能並不會做出霧浴的姿勢。哪個物種用哪個部位集水，目前仍在討論中。
- 沙漠生物有多少比例的水分依賴霧水？ 一般認為，霧、晨露與食物中水分各自的貢獻比例，依物種與地點而有很大差異。
- 海霧今後會不會持續以同樣的方式出現？ 有研究指出，海水溫度與高空風向的變化，可能改變沿海地區起霧的頻率。這對依賴霧水的生態系會有什麼影響，目前還不清楚。
也就是說，本文的內容也是「目前所知範圍內的說明」。尤其是各種生物的集水方式，每當觀察有新進展時，內容就會被改寫。
與教科書的對應（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文對應段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科二年級「天氣及其變化」（霧・露點） | 霧的真面目、與晨露的差異 |
| 高中 | 物理基礎「空氣阻力與終端速度」、地球科學「大氣與海洋」 | 霧粒不會落下的原因、海霧的形成 |
| 高中＋ | 物理進階「斯托克斯定律」 | 終端速度與直徑平方成正比 |
| 大學 | 流體力學・氣膠科學（慣性撞擊、斯托克斯數） | 越細越容易撞上粒子的原因 |
| 研究 | 沙漠生態學、仿生材料研究 | 甲蟲背部的作用、霧的未來變化 |
| ― | 與生活的連結 | 霧中衣服變濕的機制、蜘蛛網上的水滴、沙漠村落的飲用水製作 |
- Parker, A. R. & Lawrence, C. R. (2001) Water capture by a desert beetle. Nature 414
- Hamilton, W. J. & Seely, M. K. (1976) Fog basking by the Namib Desert beetle, Onymacris unguicularis. Nature 262
- Schemenauer, R. S. & Cereceda, P. (1994) A proposed standard fog collector for use in high-elevation regions. Journal of Applied Meteorology 33
- 維基百科「霧」（日文）
- 維基百科「斯托克斯數」（日文）
※本文為大眾科普解說。文中數值為幫助理解機制的概略估算值。若要把從霧中收集的水當作飲用水，另需進行衛生處理。