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水滴究竟是怎么凿穿顽石的?

小学生都听说过水滴石穿的故事,长者通常以这个成语教育孩子做事情要坚持不懈,功到自然成。“水滴石穿”最早出自《汉书・枚乘传》,它描述了一个自然现象:水虽柔弱无形,但经年累月也能将石头凿穿。

水是怎么滴穿岩石的呢?这其实是个有趣的科学问题,水滴靠的不是蛮力,它打的是一套“组合拳”,中间包含着物理和化学过程。

水无定形

水的能量

下雨时,水滴从几千米的高空掉落下来,你有担心过脑袋被砸破吗?显然不会,除了把你浇成“落汤鸡”让你着凉之外,雨点并不会造成什么伤害,孩子们很喜欢在雨中玩水呢!

孩子们喜欢在雨中玩耍

由于空气阻力的原因,雨滴最快的下落速度只有约8米/秒。通常雨滴的大小在3毫米左右,最大不超过5毫米直径,更大的雨滴会在空气中散开变成小水滴,因此雨滴的最大质量大约是0.065克。按照动能定理,我们可以算出一个雨点落到地面时的最大动能为0.002焦耳。

水很轻柔

雨滴的动能是如此之小,以至于落到身上时我们对它几乎没有感觉,更谈不上有什么伤害。为什么它能将坚硬的石头凿出小坑,甚至将石头滴穿呢?

侵蚀

在地球科学中,我们将水滴石穿的过程称为“侵蚀”。水或风通过持续的侵蚀作用,将岩石表面物质剥落、溶解,然后搬运到其它地方。

侵蚀是一个自然的过程,但水滴石穿却经常伴随着人为因素。我们很少在自然界里找到石头被滴穿的例子,但在人们屋檐底下的砖石上却挺常见。

石阶被水滴凿出了一排小坑

一个重要原因是屋檐会将雨水聚集起来,在它的下方形成落点稳定的涓涓细流,而在自然界你比较难找到这样的地方,或许在一些崖壁的下方会有比较明显的水滴侵蚀痕迹。

屋檐下容易出现水滴侵蚀现象

在爱尔兰克朗莫尔(Clonmore)的乡间,你会见到一些上面分布着凹坑的花岗岩石头,关于它的来源有许多争议,但科学家们认为这些石臼不是自然侵蚀形成的,这可能是古代爱尔兰人用来捣碎谷物的地方。

这些坑不是水滴形成的

侵蚀的过程

当水滴从空中下落撞击在岩石表面时,它携带的动能会对岩石造成冲击。小于3毫米的水滴在下落的过程中是球形的,而大的雨点则由于空气的阻力变成窝窝头的形状。

水滴的形状

当大的雨滴撞击地面时,它会在中心点产生聚能效应,从而对岩石表面造成破坏,尽管这种破坏很轻微,但从微观角度看起来是不可忽视的。水滴表面张力倾向于保持水滴原来的形状,从而将大部分动能传递给中心的那个小气泡,于是在这个气泡的周围集聚了很高的能量,岩石表面结构会被这种能量破坏,从而形成一个缺陷点。

水滴下部高压气泡聚集能量

实际上,岩石的表面并不总是十分平整,因此即便是小雨滴撞击时,它也会在凹陷处形成强大的应力,冲击波会扩大并加深那些小的凹坑。

水滴冲击能量在凹陷处被放大

你可能会问,当石头表面的凹坑继续扩大,变成一个小水坑时,水滴就无法撞击到岩石表面了,它又是如何继续向下深挖的呢?当岩石表面形成小水坑,水滴不能直接撞击岩石,但它在冲击水面的同时会产生一个向下的横波,这个波同样将水滴的冲击能量传递到岩石表面,如果岩石表面有掉落下来的石英砂,这些小的砂粒会像砂纸一样打磨岩石,进而造成新的损伤。

冲击波将能量传递到水底

在寒冷的冬天,那些渗透到岩石缝隙里的水会结冰膨胀,膨胀的冰挤碎周围的岩石,进而加深其深度,扩大凹坑的范围。

水的化学侵蚀

水滴的撞击、摩擦以及冰膨胀过程中的压裂都属于物理侵蚀,水滴石穿同时还是一个化学侵蚀。

石灰岩广泛应用于我们周围的建筑材料,其主要成分是由细小的碳酸钙和石英颗粒结合而成,它来源于远古时期海洋生物甲壳的沉积。

碳酸钙基本不溶于水,但它会与酸反应。当雨水中溶解有微量的二氧化碳时,水就变得更加酸性,这时候水里的碳酸就会与石灰岩中的碳酸钙发生化学反应生成可溶于水的碳酸氢钙:

CaCO?+ CO?+ H?O→ Ca(HCO?)?

碳酸氢钙被水冲走,在岩石表面留下的孔洞将加剧气蚀过程中的“空化”效应,使侵蚀加速。

溶洞的形成伴随着化学侵蚀

大自然许多鬼斧神工的景象都是石灰石被水流侵蚀“雕刻”而成的,这其中除了物理冲刷的作用外,起关键作用的还有溶解在水中的二氧化碳对碳酸钙的溶解。

总结:

水流的侵蚀塑造了我们今天地球表面的地形地貌,但水滴石穿经常要靠人类的帮忙才能完成。

我们用屋檐将雨水聚拢在一起形成水流,这样水滴能够反复撞击下方岩石特定的范围;水滴撞击的瞬间,它的动能会通过高压气泡聚焦在岩石表面,其后的水滴会扩大岩石破损的表面;水滴能通过激波冲刷岩石,还能通过结冰膨胀来扩大岩石的缝隙。

水滴在通过物理的方法雕琢岩石的同时,还利用二氧化碳来溶解岩石,从而达到化学侵蚀的作用。

水滴造成的深孔

无论是物理还是化学的侵蚀,水滴打磨岩石的过程都极其缓慢而且漫长,经过许多年的努力,终能达成凿穿顽石的目的。