北海道的絶景【青い池】

真相追追追

台灣有個美麗的 水漾森林,日本北海道也有個類似的”青い池”,只不過水漾森林是天然所形成的堰塞湖,而青い池卻是防砂的人工湖。

至於湖水為何呈現如此美麗的青色?先來看下列這則影片:

影片雖提及「詳しい原因は未解明」,但事出必有因,現在咱們來抽絲剝繭,看能否釐清其中的科學機制?首先來瞭解一下青い池的地理環境。十勝岳火山於1988年12月爆發後,北海道開發局為了保護美瑛町地區免於火山泥漿流的災害,於是在美瑛川施建下圖的防砂工程,照片中右下角即為青い池

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在美瑛川上游有一個”白髭の滝”,瀑布下方的溪水就已呈現青色,而且岩壁與溪床中的石頭可以看到有白色的物質析出,那麼它到底是石灰質還是硫的沉澱物?

由於在美瑛川的上流有一著名的白金温泉,其泉質蘊含豐富的礦物質,屬於硫酸泉、碳酸泉及鐵泉等之複合泉,那麼這種青色會不會就是來自於其中的碳酸泉或硫黃微粒所導致的呢?在青い池的入口處之解說牌是這麼說的↓

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內容說明這與天空呈現藍色的機制相同,都是來自於光的散射。至於到底是湖水中的哪種物質所造成,這個解說牌有提到「アルミニウムを含んだ水が 氫氧化鋁膠體」或許就是原因,但真正的原因仍然不明確。所以現在稍微明朗一點了,成因可以歸納出三種可能:硫黃微粒、碳酸泉、氫氧化鋁的膠體。

1. 硫黃微粒:陽明山教師研習中心旁邊有一個公共澡堂,這裡的泉質屬於白磺,其排放的水流入白磺溪的景觀如下。溪中的石頭表面會呈現白色的沈澱物,就如同”白髭の滝”瀑布下的石頭一樣,而溪水顏色也帶一點藍,但是澄清度比美瑛川差,顏色偏白。

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不過溪水顏色既然有點藍,那麼這是散射造成的嗎?答案是肯定的。因為在中學理化實驗中,有使用硫代硫酸鈉與鹽酸反應所產生的硫黃微粒來演示光散射的實驗:

2. 碳酸泉:碳酸鈣在水中幾乎不溶(25℃ 之溶解度為0.056g/L),至於硬水中的成分 – 碳酸氫鈣 Ca(HCO₃)₂ 雖略溶於水(25℃ 之溶解度為1.7g/L),但是卻透明無色。至於碳酸泉能否產生散射現象,將小蘇打溶於水中來打光即可得證。根據我在墾丁第三區探訪地洞時遇到一個洞內有積水的鐘乳石洞之經驗,這種已呈飽和狀態的碳酸質地下水是澄清無色的。

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3. 氫氧化鋁的膠體:無獨有偶,在青い池東方150公里處也有一個呈現藍色的淡水池塘”神の子池”,只不過它是天然湖,而且不含硫磺質。其水中亦富含氫氧化鋁成分,由於氫氧化鋁的膠體可拿來當作淨水劑使用,這也就是”神の子池”會如此清澈的原因。

那麼氫氧化鋁的膠體溶液為什麼能具有散射藍光的能力?這是因為氫氧化鋁膠體是由多個氫氧化鋁分子聚集成膠粒,這些金屬膠體粒子會帶微量的正電,因此各個膠體粒子因帶電而互斥,以致於無法形成夠大的顆粒而產生沉澱,因而能均勻分散在水中懸浮。這些膠體的粒徑在1~100nm範圍內,符合能發生瑞利散射所需的條件(粒子直徑小於光波長的1/10),因此只要是膠體溶液,以可見光照射時就會發生瑞利散射而呈現出藍色。

結論:北海道的十勝岳火山於1988年12月爆發後噴出火山灰土(volcanic ash soil),其主要成分為含鋁量高的非晶質水鋁英石,這種土壤具有高水合的能力,並且具有廣大的表面積,可以透過離子和配位基的交換反應來形成氫氧化鋁的膠體。”青い池”就是由於湖水中含有這種膠體,因此能產生瑞利散射而發出短波長的藍光(人眼對紫光不敏感)而使湖水呈現出藍色。至於池水中的硫黃微粒雖也能扮演相同的散射角色,但是由於其中亦含有較大的硫黃顆粒,這些大顆粒是進行米氏散射,如同雲之所以呈現白色的那種機制,因此硫磺泉的顏色反而是呈現偏白的牛奶色澤。基於『藍色』+『白色』=『淺藍色』,也就是『青色』,所以”青い池”成色的機制不僅僅是解說牌所說的「アルミニウムを含んだ水が 氫氧化鋁膠體」而已,反而是「氫氧化鋁膠體+硫黃」的共同效應所造成。

延伸閱讀

利用熱溶膠條來演示光的散射

光在蛋白石中的散射

米氏散射:由球形微粒所生的米氏散射是在粒子直徑等於或大於波長時所發生,因此大小約數十微米的灰塵或是雲霧水滴均屬於米氏散射。而且米氏散射之散射光強度與入射光波長無關,例如牛奶與白雲所呈現的白色。

瑞利散射:發生在物質粒子直徑小於1/10 光波長時,因此大小約4埃的空氣分子經數千埃的可見光照射時會發生瑞利散射。而瑞利散射的散射光強度則與入射光波長的四次方成反比,因此波長越短的光,散射程度越大,藍紫光被散射較多,天空因此呈現藍色。

當哈利波特遇上物理 – 光學篇