在海面上灑油,真的能讓怒濤平靜下來嗎?
― 船員的傳說只對了一半
古時候的船員相傳,在暴風雨的海上灑油,能讓船隻周圍的波浪平靜下來。這並非空穴來風。只不過,油消除的並不是大浪本身,而是讓風能夠抓住大浪的那層「細小漣漪」。
有風的日子,港口的海面上滿是細碎的漣漪,閃著粗糙的光。但在某些地方,卻有如帶狀般光滑、能清楚映出光線的「滑順條紋」。
漁民間流傳著經驗之談:這種條紋附近常常會聚集魚群。條紋的真面目,一般認為是魚類或浮游生物分泌的油脂等物質所形成的極薄薄膜。
明明吹著同樣的風,為什麼唯獨那條紋處波浪不會湧起呢?這正是船員相傳「用油平息波浪」的原因所在。
油能平息波浪的理由,只有兩個
風會勾住水面上細小的漣漪,把力量傳給波浪。油膜會消除這些漣漪。失去把手的風就只能在水面上滑過,難以讓波浪長大。
有薄膜的水面,一旦被拉伸就會想要恢復原狀。這股恢復力會對漣漪的擺動產生煞車作用。波浪越小,這種煞車效果就越明顯。
換句話說,油並不是直接壓制波浪,而是同時阻斷了波浪成長的入口,以及細小的擺動。
風靠「勾住」漣漪,才能養大波浪
海上的波浪多半是風造成的。不過,即使風吹拂過光滑的水面,水也很難被帶動。風最先造成的,是長度約數公分的漣漪。
漣漪一旦形成,水面就會變得凹凸不平。這樣一來,風就能推動凹凸迎風面的那一側。漣漪就像風用來抓住波浪的把手一樣。
請看圖1。左邊沒有薄膜的水面,湧浪表面浮著細小的漣漪,風的箭頭正勾在上面。右邊有薄膜的水面,漣漪消失了,風的箭頭就這樣從上方滑過。
一般認為,波峰之所以會碎成白色,也與漣漪有關。若有薄膜,波峰就不容易碎裂。對船隻而言,可怕的不是湧浪的高度,而是從頭頂崩落而下的浪花。古時船員依賴油,正是為了緩和這種「碎裂」。
薄薄一層膜,為何能止住漣漪?
水的表面存在一股力量,想要讓表面積盡量縮小,這就是表面張力。在長度不到數公分的漣漪中,這股力量是讓波動恢復原狀的主要力量。
水面一旦鋪上油膜,表面張力就會稍微減弱。減弱的程度,取決於薄膜的密集程度。薄膜被拉薄的地方,表面張力會恢復到接近純水的強度。薄膜被壓縮的地方,表面張力則仍然偏弱。
請看圖2。漣漪前進時,水面上的每個斜面會交替出現伸展處與收縮處。於是,表面張力較強的伸展處,會把收縮處的薄膜拉過來。這股拉力,連薄膜下方的水也會一起拖動。水面的擺動,就在這樣的拖拽中被逐漸磨平消散。
這正是「只對了一半」的關鍵所在。在長達數十公尺的湧浪中,水面的伸縮極為平緩,薄膜的煞車效果幾乎起不了作用。一般認為,油無法把湧浪壓平,只能讓表面變得平滑,緩和碎裂的程度而已。
約在1774年,美國的班傑明・富蘭克林親自驗證了這個傳說。他在倫敦的一座池塘,從上風處滴下約一茶匙的油。油出乎意料地擴散開來,他記載說,大約覆蓋了半英畝(約2000平方公尺)的水面,使其如鏡面一般平滑。後來,人們從這種擴散方式推算出,油膜的厚度大約只有一個分子那麼薄(計算過程請見摺疊區塊)。
據說在19世紀到20世紀初,船上會載有用來平息波浪的油。作法是把油裝進有洞的布袋,從上風側的船舷垂下。薄膜不需要厚,只要能擴散開來就行。因此少量緩緩流出,正是當時經驗累積出的用法。如今這種做法會污染海洋,已不再被使用。
總結
油所平息的,不是大湧浪本身,而是其表面的細小漣漪。漣漪一旦消失,風就無法抓住波浪,波峰也不容易碎裂。船員的智慧,正確運用了這層薄到看不見的薄膜之力,而這一切都是經驗累積而來。
油並非壓制波浪。
而是悄悄拿走了風賴以抓住波浪的把手。
關於水面波浪如何傳遞,請見〈把石頭丟進池塘,為什麼會擴散出圓形波紋?〉;油無法消除的長湧浪真面目,請見〈明明沒有風,為什麼突然出現高浪?〉。
- 在洗臉盆裡裝水,用吸管從斜上方吹向水面。確認出現細小漣漪,光線閃爍晃動的樣子。
- 在水面滴一滴食用油,稍等片刻。油擴散開後,再用同樣的力道吹一次。
- 比較漣漪的樣子和光線晃動的方式。若事先在水面撒些胡椒粉,還能看見油擴散成膜的過程。
只需極少量的油即可。做完後請先用報紙等吸掉油分,再把水倒掉。用指尖沾肥皂水碰觸水面,也能觀察到類似的變化。
想知道更多? ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目,明確標示各段落的程度
- 國中國中理化課程範圍
- 高中高中「物理」「化學」課程範圍
- 高中＋高中進階內容,或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教,屬於大學專業科目(流體力學、界面化學)的內容
- 研究連大學都還不會當作「定論」來教,是研究人員正在探究中的內容
國中用語:這個現象是有名字的
- 表面張力:液體表面盡量縮小面積的力。水滴會變圓,就是這股力量造成的。
- 表面張力波(毛細波):長度約在2公分以下,由表面張力主導恢復擺動的波。大多數漣漪都屬於這種。
- 單分子膜:分子恰好排成一層的薄膜。鋪在水面上的油膜,在特定條件下厚度會接近這種程度。
- 油光帶(slick):出現在海面或湖面上,一條條光滑的帶狀條紋。是天然薄膜消除漣漪後留下的痕跡。
國中高中用算式驗證:富蘭克林的油膜有多薄?
體積除以面積,就能算出厚度。讓我們用記錄中的「一茶匙」「半英畝」來計算看看。由於當時茶匙的容量因時代和工具而異,這裡採用大概的估計值。
| 符號 | 意義與單位 |
| 油的體積(當時一茶匙的估計值) | 約2 mL(＝0.000002 m³) |
| 擴散的面積(半英畝的估計值) | 約2000 m² |
| 1 m換算成奈米 | 1000000000 nm |
| 一疊榻榻米(約1.62 m²)的面積 | 約1.62 m² |
| 薄膜厚度(公尺)＝體積 ÷ 面積 | 0.000002 ÷ 2000 ＝ 0.000000001 |
| 換算成奈米 | 0.000000001 × 1000000000 ＝ 1 |
| 覆蓋面積換算成榻榻米片數 | 2000 ÷ 1.62 ≒ 1235 |
薄膜厚度約為1奈米,也就是十億分之一公尺左右。這和一個油分子的長度差不多,換算下來大約只排了一層分子。一茶匙的油,就以單一分子層覆蓋了約1200片榻榻米大小的水面。19世紀末,瑞利勳爵也是用同樣的想法,估算出了分子的大小。
高中高中＋漣漪與湧浪之間,恢復力的角色互換
高中波之所以會擺動,是因為有力量要讓偏移的水面恢復原狀。長波中,被抬升的水的重量就是恢復力;短波中,則是表面張力扮演恢復力的角色。在水中,兩者強度相當的分界點,約在長度1.7公分左右。
高中＋薄膜不只是稍微降低表面張力的數值而已。它還賦予水面「表面張力會隨伸縮而改變」的性質(表面彈性)。只要有表面張力差,表面就會被拉向張力較強的一側。這股流動被稱為馬蘭哥尼效應(Marangoni effect),也與酒杯內側葡萄酒形成水珠垂落的「酒淚」現象有關。
大學薄膜的彈性,會讓波的衰減強上好幾倍
在乾淨的水面上,波的擺動主要靠水本身的黏性慢慢減弱。若表面有彈性薄膜,水面正下方就會形成一層速度急遽變化的薄層。由於黏性造成的損耗會集中在這一層,衰減效果會大幅增強。增強的程度取決於薄膜的彈性與波的長度,據信對長度數公分左右的波效果最強。這套理論在流體力學的經典教科書中也有討論。
研究目前仍不清楚的部分
- 在洶湧的海面上,薄膜究竟能抑制波浪成長到什麼程度。 在實驗水槽中可以測量漣漪的衰減,但在強風吹拂的外海,薄膜可能會被撕裂或混合。要具體量化其實際效果,據信相當困難。
- 天然薄膜對海洋與大氣交換的影響。 目前正在研究海面上的薄膜,是否會減弱二氧化碳等氣體的進出。就全球規模而言究竟影響多大,估算結果仍有相當差異。
- 波峰碎裂的觸發條件。 漣漪與薄膜在白浪形成的條件中扮演何種角色,目前仍透過觀測與計算持續研究中。
也就是說,本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。消除漣漪的機制雖然已經相當清楚,但在大海中究竟能發揮多少作用,目前仍在討論之中。
與教科書的關聯(依程度分類)
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文哪個段落 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・物質的性質,體積與面積的計算 | 表面張力、油膜厚度的計算 |
| 高中 | 物理・波的性質,化學・分子的大小 | 恢復力在重力與表面張力之間互換的內容 |
| 高中＋ | 物理・表面張力的進階內容 | 馬蘭哥尼效應、表面彈性 |
| 大學 | 流體力學・界面化學 | 薄膜造成波衰減的理論 |
| 研究 | 海洋物理學・海氣交互作用 | 外海的實際效果、氣體進出 |
| ― | 與生活的關聯 | 辨別海面上的平滑條紋、洗臉盆觀察實驗 |
- Benjamin Franklin, William Brown, William Brownrigg, "Of the stilling of waves by means of oil", Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 64 (1774)
- Lord Rayleigh, "Measurements of the amount of oil necessary in order to check the motions of camphor upon water", Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 47 (1890)
- Agnes Pockels, "Surface tension", Nature, Vol. 43 (1891)
- Horace Lamb, "Hydrodynamics"(流體力學的經典教科書,書中討論了表面薄膜造成的波浪衰減)
- 老普林尼《博物誌》(書中記載,在海面注入油可使海面平靜下來)
※本文為一般大眾取向的科普解說。文中數值僅為幫助理解原理的參考估算值。實驗使用過的油請勿直接倒入排水口,應以紙張等吸除後再行處理。請勿將油倒入海洋或河川,以免污染環境。