剛開始下雨時，為什麼會有一股獨特的氣味？
― 把氣味打上天空的，正是雨滴本身
夏日傍晚，大顆雨滴啪嗒啪嗒落下的那一刻，那股撲鼻的泥土味就瀰漫開來。就算沒開窗，也能清楚感覺到「啊，下雨了」。但那其實不是雨的氣味。氣味的來源早就一直堆積在地面上，雨滴只是扮演了把它送到鼻子前的搬運工角色。
連續晴朗好幾天之後的夏日傍晚。天空突然暗下來，大顆雨滴一滴、一滴地開始落下。
身體哪裡都還沒被淋濕，鼻腔深處卻突然飄來一股泥土般、又帶點青草味的氣味。
奇怪的是，比起雨勢持續穩定的時候，剛開始下雨的那短短幾分鐘，氣味反而最濃。這正是解開謎題的線索。
氣味的真面目，可以分成兩部分來思考
地面之中住著許多肉眼看不見的微小生物。其中一部分會製造出帶有獨特氣味的物質。晴天持續期間，這種物質會附著在土壤顆粒上，靜靜地不斷累積。
雨滴打在乾燥的地面上時，土壤縫隙中的空氣會被封閉成小氣泡。氣泡破裂的瞬間，肉眼看不見的細小水珠會向上噴出，把氣味帶到空氣之中。
換句話說，氣味物質的「製造者」和「搬運者」是不同的角色。少了任何一方，那股氣味都不會出現。接下來按順序看下去。
氣味的來源，一直在土裡等待著
土壤中住著大量的細菌。已知其中某些種類會製造出帶有獨特氣味的物質。這種物質被稱為「土臭素（geosmin）」，據說這個名字的由來正是「土壤氣味」之意。
土臭素是在潮濕的土壤中形成的。當晴天持續，它會隨著水分一起被帶到地表，附著在乾燥的土壤顆粒表面殘留下來。如圖1左側所示，乾燥的地面其實正處於累積氣味來源的狀態。
有趣的是，人類的鼻子對這種物質特別敏感，據說即使是極少量，也能被感知為「泥土味」。到底有多微量，會在最後的折疊區塊實際計算看看。
雨滴會變成打在地面上的「噴霧器」
那麼，附著在土壤表面的氣味物質，究竟是怎麼被送到鼻子前的呢？在這裡發揮作用的，就是雨滴的撞擊。
乾燥的泥土或素燒陶般的地面上，佈滿了無數細小的縫隙。雨滴落下時，水會把縫隙堵住，裡面的空氣便無處可逃。如圖1中間所示，空氣會變成小氣泡，被封閉在水膜之下。
氣泡比水輕，會浮到水膜表面，並把水膜撐破。這時，氣泡破裂的衝力會把肉眼看不見的細小水珠向上噴出。就像碳酸飲料的氣泡破裂時，臉上會感覺到細小飛沫一樣。
被噴出的水珠裡，溶有原本附著在土壤表面的氣味物質。水珠很輕，會順著氣流飄浮。氣味就這樣一口氣從地面被送到了鼻子的高度。
剛開始下雨時氣味最濃，原因也在於此。雨持續下下去，地面會被水淹沒，土壤縫隙中不再殘留空氣。沒有氣泡形成，水珠也就無法被噴出。搬運工消失了，氣味也就悄悄散去。
有時候雨還沒開始下，就已經聞到味道了。一種情況是，遠方已經在下的雨所產生的氣味，被風提前吹了過來。另一種情況，則被認為是雷雨雲中形成的氧氣同類物質，隨著下降氣流一起降下來。後者據說不是泥土味，而是一種刺鼻、尖銳的氣味。
夏季的湖泊或水庫中，當浮游植物大量繁殖時，同一種氣味物質有時會溶入水中。雖然對人體無害，但即使是極微量也會被察覺，因此日本的自來水水質標準也對它設有上限。淨水廠會採取專門對策，例如使用能吸附氣味的活性碳。
總結
雨的氣味，並不是雨帶來的東西。晴天期間地面一直累積著的氣味，被落下的雨滴連同氣泡一起打上了天空。所以剛開始下雨的那幾分鐘氣味最濃，雨持續下去反而會變淡。那股氣味，就像是地面捎來的一封短信。
你聞到的不是雨的氣味。
而是雨滴挖出來的地面氣味。
雨滴本身是怎麼誕生的，可以參考明明雲是水的聚合體，為什麼不會掉下來？。水珠乾掉時會發生什麼事，則在咖啡漬乾掉後，為什麼會留下一圈環狀痕跡？中說明。就算沒有下雨，地面也會濕潤的話題，可參考明明沒下雨，為什麼早晨的草會濕的？。把氣味當成「味道」感知的機制本身，則在感冒時，為什麼吃東西會沒有味道？中討論。同樣是氣味，持續聞著會變得不敏感的鼻子特性，則在桂花的香氣，為什麼總是「某天早上突然」才注意到？中有解說。
- 連續晴天幾天之後，先把鼻子湊近庭院或花盆裡乾燥的泥土聞聞看。應該幾乎聞不到氣味。
- 接著用澆花壺稍微澆一點水，馬上再聞一次。同一塊泥土，會清楚地飄出那股氣味。澆的水量只要能讓表面濕潤就足夠了。
- 下雨開始時，比較看看鋪裝過的道路和泥土、草地地面上氣味的強弱。可以確認縫隙較多的地面氣味更強。
請不要把臉靠泥土太近，結束後記得洗手。
想了解更多的人 ― 術語、公式與教科書的連結從國中理科到大學專業科目，會明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「化學基礎」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（界面化學、嗅覺生理學）的內容
- 研究連大學也還沒當作「定論」教授、研究者目前仍在調查中的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 土臭素（geosmin）：泥土氣味的來源物質，由土壤中的細菌，或水中的藻類同類製造出來。
- 放線菌：大量棲息在土壤中的細菌同類。許多會長成分枝的細絲狀，是製造土臭素的代表性菌種。
- 石潤香（petrichor）：泛指雨落在乾燥地面時揚起的那股獨特氣味整體。據說是1960年代由研究者命名的詞彙。
- 氣膠（aerosol）：飄浮在空氣中、極為細小的液體或固體顆粒。本文中所說「被噴出的水珠」，指的正是這種東西。
國中高中用公式確認：氣味要多稀薄才會聞不到
我們用數字來確認「極少量也能被感知到」這句話。使用的單位是表示重量的奈克與毫克，以及表示體積的公升與立方公尺。奈克是1公克的十億分之一，毫克是1公克的一千分之一。這裡不使用符號，直接以文字表示。
| 用符號表示 | m ＝ c × V |
| 用文字表示 | 被察覺所需的重量 ＝ 可察覺的最低濃度 × 水的體積 |
| 公式從何而來 | 這其實就是濃度的定義（單位體積中溶解的重量）反過來推導的結果。求出讓整座泳池的濃度剛好達到「可察覺的極限（氣味閾值）」所需要的量。 |
| 符號 | 意義與單位 |
| m | 整座泳池所需的氣味物質重量（奈克） |
| c | 人可察覺的最低濃度（每公升的奈克數） |
| V | 水的體積（公升） |
| 人可察覺氣味的濃度 | 每公升約10奈克 |
| 25公尺泳池的水量 | 約400立方公尺 |
| 1立方公尺等於多少公升 | 1000公升 |
| 1毫克等於多少奈克 | 1000000奈克 |
| 泳池的水共有多少公升 | 400 × 1000 ＝ 400000 |
| 被察覺所需的重量（奈克） | 400000 × 10 ＝ 4000000 |
| 換算成毫克 | 4000000 ÷ 1000000 ＝ 4 |
| 換算成公克 | 4 ÷ 1000 ＝ 0.004 |
學校泳池一整池的水裡，只要有4毫克。這和放進幾粒沙差不多。即便如此，人的鼻子仍能察覺「泥土味」。雨滴噴出的水珠小到肉眼看不見，卻能清楚聞到氣味，正是靠這種高度的敏感性。
高中高中＋為什麼氣味會累積在乾燥的土壤中
高中氣味物質是以附著在土壤顆粒表面的狀態被保存下來的。物質薄薄附著在固體表面的現象稱為吸附，在化學基礎課程中也會以活性碳為例出現。土壤顆粒表面凹凸不平，相對於其外觀大小而言，表面積非常大，因此容易抓住這類物質。
高中＋當水來臨時，水分子會爭相搶佔土壤表面。土臭素本身不太溶於水，因此水一來，它就容易被擠出表面。被擠出的分子會移入薄薄的水膜之中，並隨著氣泡破裂而飛濺出的水珠一起被帶走。乾燥的地面氣味較強，除了累積量較多之外，縫隙中殘留空氣、容易形成氣泡也是原因之一。
大學氣泡把水珠噴向空中的機制
已知氣泡在水面破裂時，會產生兩種水珠。一種是破裂的水膜本身碎裂而成的顆粒。另一種是氣泡塌陷後形成的凹陷處，水流灌入，從中心噴出一根細小水柱，斷裂而成的顆粒。後者長久以來在海面飛沫的研究中被詳細調查，其大小由界面張力、黏性與重力之間的平衡決定。雨滴打在縫隙較多的地面時，也被認為是同樣的機制在運作，高速攝影已觀察到一顆雨滴能產生數百顆水珠的景象。這些水珠會以飄浮在空氣中的細小顆粒，也就是氣膠的形式被搬運。雨的整體氣味則被稱為石潤香（petrichor）。氣味的濃淡會因地面材質與雨勢強弱而不同，一般認為原因就在於氣泡形成的難易程度不同。
📖 延伸閱讀：石潤香 petrichor（維基百科） ／ Joung & Buie (2015) 以高速攝影記錄雨滴從土壤中產生氣膠的論文
研究目前仍未完全釐清的部分
- 人的鼻子為何對這種物質如此敏感。有人提出這是因為有助於尋找水源，也有人認為是有助於避開腐壞的食物等多種說法，但目前尚未找到能驗證哪一種說法正確的方法。
- 土壤中的細菌為何要製造這種物質。有報告指出，這是為了吸引微小的土壤動物，讓孢子附著在牠們身上被帶往遠方的一種招引方式。但這是否足以完全解釋，目前仍在討論中。
- 雨還沒下之前那股氣味的成分。雷雨雲降下的氣體、隨風傳來的遠方氣味、植物釋放的成分等，都是候選之一。由於在實際野外環境中這些因素會混雜在一起，目前尚未釐清各自的貢獻程度。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。氣味的來源與搬運方式的大致輪廓已經清楚，但其意義與細節仍留有未解之處。
與教科書的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科 第2領域「自然界的平衡」 | 土壤中微生物製造物質這件事 |
| 高中 | 化學基礎「物質的狀態與溶解」 | 對水的溶解度、對表面的吸附 |
| 高中＋ | 化學進階「界面張力・膠體」 | 氣泡形成並破裂噴出水珠這件事 |
| 大學 | 界面化學・流體力學・嗅覺生理學 | 氣泡把水珠噴向空中的機制、感知氣味的敏感度 |
| 研究 | 土壤微生物學・大氣氣膠 | 細菌製造這種物質的原因、雨前氣味的成分 |
| ― | 與生活的連結 | 只有剛開始下雨時氣味最強的原因、自來水的發霉味 |
- Bear, I. J. and Thomas, R. G. "Nature of Argillaceous Odour", Nature, 1964（petrichor 一詞的命名由來）
- Joung, Y. S. and Buie, C. R. "Aerosol generation by raindrop impact on soil", Nature Communications, 2015
- Gerber, N. N. and Lechevalier, H. A. "Geosmin, an Earthy-Smelling Substance Isolated from Actinomycetes", Applied Microbiology, 1965
- 日本厚生勞動省「水質基準に関する省令」（水質基準項目與基準值一覽表，土臭素項目）
- 日本水道協會『水道水質基準ガイドブック』（介紹發霉味物質與淨水處理，日本水道協會出版）
※本文為大眾科學解說。文中數值僅為理解原理所用的參考、概算值。若預期會有大雨，請以氣象廳發布的資訊、地方政府的呼籲等公家機關的最新資訊與指示為準。