阳光与食物、水和能源

一株生菜怎样长大

2002年6月12日，宇航员从太空拍下了美国加利福尼亚州南部的一片农田。索尔顿湖以南，绿色、褐色的田块一块挨着一块，排列得整整齐齐。田地两侧却是大片浅色的沙漠。同在一片阳光下，为什么一边能种庄稼，一边却这样干燥？

这里是帝王谷。当地较凉的季节里，农民会种生菜。生菜长出一片片叶子，最后成为人们餐桌上的食物。不过，让一株小苗长到可以采收，光有阳光还不够，远处的河水也得送到田里。

生菜还没长出叶子时，就已经需要水了。种子浅浅地埋在土中，吸水以后，幼根先伸出来，随后小苗露出地面。这时候根很短，能碰到的只是地表附近的一点土。要是这层土很快干透，小苗就容易缺水，下面即使还有湿土，它暂时也够不着。

小苗渐渐长大，新叶一片接着一片展开。叶子多了，失去水的地方也多了，根就得从土里吸进更多水。根系也在向外、向下伸展，能从较深的土层吸水了。浇水时，水便需要渗到这些根能够接触的地方，不能只是把地表打湿。

叶子晒着太阳，也在给整株生菜制造食物。它利用光能，把水和空气中的二氧化碳变成糖等有机物，这就是光合作用。有了这些材料，再加上根吸收的氮等养分，植物才能制造细胞壁、蛋白质，长出新的根、茎和叶。糖还可以在呼吸作用中被分解，释放能量，供细胞生长、根吸收养分等活动使用。

刚冒出来的新叶还小，需要别的叶片送来有机物，等它展开、长大，也能吸收阳光，制造有机物了。

水从根进入，沿着茎里的运输组织来到叶片。除了参与制造有机物，水还让细胞保持饱满，幼嫩的叶子才能继续伸展。但根吸进的水并不会都留在生菜里，很大一部分会变成水蒸气，从叶片表面的小孔散到空气中。叶子一边晒太阳，一边失水，地下的根就得不停地补水。

这些小孔叫气孔，空气中的二氧化碳也要从这里进入叶片。天热、空气又干燥时，叶子往往失水更快，土壤表面也在蒸发。假如根吸进来的水赶不上叶子失去的水，生菜便会把气孔收小，少散失一些水。

可是，气孔收小了，二氧化碳也进得少了。叶子虽然还晒着太阳，光合作用却可能慢下来，制造有机物的速度也会变慢。缺水还会让细胞难以保持饱满，叶子就不容易继续伸展。所以，一株生菜能长多快，既要看它能得到多少光，也要看根能不能及时吸到水。

田里浇过水，根也未必就能吸够。水如果只停在表面，下面的根仍可能缺水；土壤太板结，或者浅处就有一层硬土，根往下长会受到阻挡，能吸水的地方也会变少。同样多的水浇进不同的土里，土壤留下的水不同，根能碰到的水也不同，生菜随后的长势便可能不一样。

水太多同样会出问题。土壤里原本有一些能通气的小孔隙，根可以从中得到呼吸所需的氧气。如果这些孔隙长时间灌满水，根就容易缺氧，吸收水和养分的能力也会变差。根要有水可吸，也要有氧气可用，才能继续生长。

根吸收的水里还溶着养分。比如，生菜制造蛋白质和叶绿素都需要氮。土里供给的氮不够，叶子可能变黄，长得也慢；这时即使补足水，新叶仍难以正常长大。肥料可以补上土里缺少的矿质养分，水则帮助根把这些养分吸进去。

生菜还怕太热。天气过热，它更容易提前长出花茎，开花结籽，叶子的口感和食用品质也会变差。帝王谷的夏季日照很强，种生菜却要选择较凉的季节，让它在适合的温度里生长。

等到采收时，人们从田里带走一片片叶子，其中大部分是水，也有储存着化学能的有机物。叶子里的碳主要来自空气中的二氧化碳，水和矿质养分则由根吸收。太阳提供了制造有机物所需的能量，水也从远方来到了根边：科罗拉多河的河水在帝王坝被引入全美运河，再经过干渠和支渠，一路送到农田。

水为什么分布不均

给帝王谷浇地的水，有很大一部分来自东北方向的落基山脉，那里是科罗拉多河的重要源区。下游的农田要用水，上游山地的雨雪便十分要紧。

冬季，高山上气温很低，雪落下来，一层层积在山坡上。雪里的水暂时留在山上，一部分要过几个月才进入河流。春天到了，白昼变长，山地逐渐暖起来，积雪开始融化。不过，向阳和背阴的坡面不同，高处和低处也不同，各处的雪不会一起融完，较高处的雪可以留到更晚。

融水顺着山坡往下流，有的直接汇进溪流，有的先渗到土里，再慢慢流向河道。若融雪时土壤很干，一部分水便会先被土壤吸收，短时间内流进河里的水就少一些。其他条件相近时，土壤原本已经较湿，继续融下来的水就更容易补进溪流。许多溪流汇进支流，支流再汇入科罗拉多河。

冬天山上积了多少雪、春天什么时候开始融、融得快还是慢，都会影响河水的多少和到来的时间。要估计这些雪以后能给河流补多少水，只量雪有多厚还不够。刚下的雪比较松，里面有许多空气；积压、融化后又冻结的雪可以紧实得多，所以同样厚的一层雪，含水量也可能不同。研究人员需要测出雪里实际有多少水，再结合融雪的早晚，估计以后能给河流补多少水。

山上有雪，下游的帝王谷却很少下雨。冬春季节，来自太平洋方向的湿润空气会把水汽带向科罗拉多河上游。湿润空气碰到山地，被迫沿山坡向上走，逐渐冷却，水汽就更容易凝结，形成云，并可能带来雨雪。

帝王谷和太平洋之间也隔着山脉。湿润空气越过这些山时，常在迎风的一侧先降下一部分雨水。过了山脊，空气向下流，又会暖起来，云里的水滴更容易蒸发，背风一侧便较干燥。帝王谷少雨，就有这方面的原因。

而照在帝王谷的阳光，还在不断使水蒸发。天晴、气温高、空气干燥时，只要还有水可蒸发，土壤和植物就可能失去较多的水，农田也就需要不断补水。山地和沙漠的天气并不一样：上游积雪多的年份，下游仍可能炎热干燥，庄稼照样需要很多水。

水来了，还得赶上庄稼需要的时候。春季融雪可能在一段时间里带来许多河水，农田却要在较长的生长季里持续浇灌。要给以后的庄稼浇水，就得把一部分来水先存下来。因此，安排农田用水，既要知道一年会来多少水，也要知道水在哪些月份来、田里又在什么时候需要水。

水可以存在哪里？一部分留在土中，根以后还能吸收。但土壤能留住的水有限，水太少，根吸不够；多到土壤留不住，又会继续往下渗，或者从地表流走。渗到地下的水可以存在土层和岩石的空隙里，有些还会慢慢流进河道。

地下的水并不是取走多少就立刻补回多少。不同地方补水的快慢不同，如果长期取出的水多于新补进来的水，地下存水便会越来越少。

科罗拉多河上还建有水库，能把一部分来水拦下来，等需要时再放出去。这样，山上融雪的时间与田里浇水的时间，就不必完全碰在一起。不过，水库能装的水有限，库面还会蒸发失水。遇上连续少雨少雪的年份，过去存下的水能补一阵，来水长期不足，存水还是会减少。

水库什么时候放水、放多少水，都可以由人安排。因而，在大坝下游测到的河水流量，既受上游来水影响，也受水库蓄水、放水影响。

风与流水怎样推动机器

在帝王坝上游，科罗拉多河还经过胡佛坝。大坝拦住河水，蓄起一座水库。库水从进水口进入管道，向坝下的发电厂流去，冲向水轮机的叶片，带着叶片和相连的轴一起转动。水随后继续流向下游，机器却已经从水流中得到了能量。

水为什么推得动沉重的机器？坝上的水面比坝下高，水受重力作用，便会向低处流。水在高处，原本就储存着能够在下落时释放的能量，这叫重力势能。水往低处流，这部分能量便会减少，其中一部分通过水的压力和流动传给了叶片。

水推着叶片转动，把能量传给叶片，这在物理学里叫做功。过去用水轮带动磨盘，也是同样的道理：流水推水轮，水轮带磨盘，磨盘再挤压、研磨谷粒。磨盘和谷物在摩擦中发热，一部分能量便成为热，逐渐散到周围。

没有水轮的河道里，水也在不断推动东西。泥沙被带走，河床受到冲刷，落进水里的树枝顺流而下。碰到石块和河床的阻挡，水流还会形成旋涡，流动中的摩擦也会把一部分能量变成热，散到周围。

如果想用水推动轮子，水量和落差都要考虑。同样多的水，从更高的地方流下来，能释放的重力势能更多；落差相同，每秒流过的水越多，每秒能传给机器的能量也越多。这里每秒流过多少水，就是所说的流量。

水库里存着许多水，但要让轮子一直转，水就得不断经过轮子，还得有能利用的落差。胡佛坝上游的水库水位下降时，坝上、坝下的水位差可能缩小，同样多的水流过，可释放的能量也会减少。要是流量也减小了，水流持续带动机器的能力还会进一步受到限制。

高处的水流走以后，雨雪又能给那里补水。阳光让水蒸发，水汽随空气移动，其中一部分在高处落成雨雪，再汇进河流。重力让水往低处流，太阳参与的水循环则不断给陆地补进新的水。

风也能推动轮子。流动的空气有动能，也就是物体运动时具有的能量。空气吹过风轮，推着叶片转动，便把一部分动能传给了轮子。河里的流水、转动的轮子，也都有动能。如果风轮再通过轴带动水泵，还能把低处的水提到高处。水的位置升高，重力势能也就增加了。

空气为什么会流动？一团空气受到周围空气的挤压，如果两边气压不同，气压较高的一边推得更用力，空气就受到朝气压较低一边的力。太阳使地表各处受热不同，能改变空气的分布，造成这样的气压差。

海边就常能看到这种变化。晴朗的白天，陆地往往比海面暖得快，陆地上方的空气受热膨胀。在高空，同样高度处，陆地上方的气压便会比海面上方高一些，一部分高空空气就向海面上方流去。

陆地上空少了这部分空气，压在地面上的空气重量减轻，近地面的气压便降低。海面附近的空气受到气压差推动，向陆地流过来，海风就形成了。地表受热不同，使一部分热能转成了空气运动的能量。不过，真实的风还受地球自转、地面阻挡等影响，不一定沿直线吹，风向也会改变。

风吹得越快，同样多的空气带来的动能越多；同样长的时间里，经过风轮的空气通常也更多。能带来多少能量，还要看风吹多久。一阵强风只能短时间推动轮子，较稳定的风则能让轮子转得更久。

山脊、谷地和开阔平原的风不同，同一个地方也有风弱、风停的时候。风弱下来，叶片得到的能量少了，风轮带动的水泵便难以照原来的速度提水。

煤、石油和天然气怎样形成

地下的煤层上方，有时能找到古树留下的树桩化石。美国地质调查局的一份煤炭研究报告，就记下了煤矿中一处原地保存的树桩。如今深埋地下的地方，过去曾有植物生长。不过，植物死后并不会直接变成煤，从长满植物的湿地到一层煤，中间还隔着漫长的岁月。

平常落在地上的枝叶，会被真菌、细菌等生物分解。这些生物利用枝叶里的有机物获得能量。在有氧气的地方，分解会使其中许多碳重新变成二氧化碳，回到空气或水中，大部分植物残体便这样逐渐消失了。

长期积水的湿地却有些不同。水让空气里的氧气难以迅速补到堆积的残体中，原有的氧气又在不断被消耗，许多分解过程便慢下来。缺氧的地方仍有微生物分解有机物，但只要新落下的残体比被分解的多，残体就能越积越厚，形成泥炭。在泥炭里，还能保留树皮、木质组织等植物成分。

后来，如果泥沙不断堆到上面，泥炭便可能被埋起来。上面的沉积物越积越厚，泥炭受到挤压，水被挤出去，原来厚厚的一层也被压薄。埋得更深，温度通常也会更高，泥炭便在地下长时间受热。

受热会让有机物发生化学变化，一部分含氧、含氢的物质离开了，剩下的固体中，碳所占的比例越来越高，泥炭也逐渐变成煤。成煤以后，埋藏和受热还会继续改变它。褐煤通常含水较多，受到更强热作用的煤，碳所占的比例往往更高。最后形成哪种煤，既要看温度和受热时间，也受挤压的影响。

不是每片湿地都能留下煤。如果水退了，泥炭露在空气中，就可能分解得更快；如果大量泥沙涌进来，盖住湿地，植物难以继续生长，也就没有新的残体不断积下来。所以，一层煤有多厚、成分怎样，与那时植物长得怎样、水位如何变化、泥沙怎样进入，都有关系。

石油的形成，则常要从古代的海洋或湖泊讲起。水中有藻类等微小生物利用阳光生长，另一些生物以它们为食。它们死后，残体向水底沉去，但许多残体在途中或到达水底后，就被吃掉、分解了，只有一部分有机物能混进泥里，保存下来。

水底氧气少，泥沙又能及时盖住残体时，有机物接触氧气的机会少，更容易留下。泥不断堆积，把这些有机物埋到更深处；时间久了，泥逐渐成为岩石，里面的有机物也会改变，变成不容易溶解的物质，留在岩石中。

如果地下温度到了适合的范围，并持续足够久，其中一部分有机物就会分解，生成能够流动的石油和气体。生成多少油气、里面有什么成分，要看原料本来是什么，也要看后来受了多强的热、受热多久。

天然气主要由甲烷组成，它的形成方式不止一种。深处的有机物受热分解，可以产生天然气；已经形成的石油，受到更强的热作用，也能进一步分解出气体。

有些甲烷则由微生物产生。在较浅、温度较低的沉积物或某些煤层中，一些微生物先把复杂的有机物分解成较简单的物质，另一些微生物再利用这些物质产生甲烷。美国伊利诺伊盆地煤层中的研究，就发现了这些微生物的作用。有些煤层里的天然气主要这样形成，有的地方还同时存着不同途径产生的气体。

石油和天然气形成以后，还可能离开最初生成它们的岩层，沿着连通的小孔隙和裂缝慢慢移动。比如砂岩，岩石颗粒之间有空隙，可以容纳油气；空隙彼此连通，油气还能从中流过。

要把油气留在一处，还需要有岩层挡住去路。岩石的孔隙里常有水，油气比水轻，有向上移动的趋势。如果一层带有连通孔隙的岩石向上拱起，上面又盖着油气难以穿过的岩层，油气就可能聚到拱起处，被挡在地下。后来一旦出现破坏封闭的裂缝，油气也可能继续流走。还有一些油气留在最初生成它们的细密岩层里，很难流动。

陆地植物和水中的藻类先用阳光制造有机物，把光能转成化学能。它们或吃过它们的生物死后，少量有机物被埋下来，经历漫长变化，最后成为燃料。煤、石油和天然气储存着这样留下的能量，所以常被叫作“古代的阳光”。

今天开采的许多煤和油气，都来自数百万年乃至更久以前积下来的生物残体。它们在地下形成、聚集得很慢，还得有合适的条件才能保存，可是煤放进炉膛、汽油送进发动机，很快就会被消耗。煤和油气形成所需的时间远远超过人的一生，地下来不及补回人们生活和生产中烧掉的这些燃料。

燃烧时，燃料中的碳与氧气结合，大部分变成二氧化碳进入大气。原来储存在燃料里的化学能则变成热，还可以进一步用来推动机器。

潮汐能和地热能从哪里来

海边的水也会推动物体。站在同一段海岸，隔上几个小时再看，原先露出来的滩地，可能已经没入水中。再过一段时间，海水又退了下去。水位这样升升降降，叫潮汐；随着涨落，海水在海湾和外海之间来回流动，叫潮流。

高潮

低潮

同样是水在流，潮流和河流的能量却有不同的来路。要弄清它从哪里来，可以先想象一个简单的地球：表面没有大陆阻挡，处处覆盖着海水。

月球拉着整个地球，也拉着地球上的海水。不过，拉力有强有弱：同样多的物质，离月球越近，受到的拉力越强。

朝着月球这一面的海水，受到的拉动比地球中心更强。海水比地球中心多向月球挪了一些，这一面的水便鼓起来。

背面的海水也被月球拉着，但受到的拉动比地球中心弱。地球中心被拉向月球时，这一面的海水没有跟上那么多，于是留在了后面，在背离月球的一面也鼓起来。

在这个没有大陆阻挡的简单地球上，两面的水位升高，其他地方的水位便相应降低。

地球在自转，月球也在绕地球运行，一处海岸便会轮流经过水位较高和较低的地方，经历潮涨潮落。不过，真实的海洋被大陆隔开，海盆有深有浅，海湾和海岸的形状也不同，会改变潮水到来的时间和涨落的幅度，各处的潮汐便不一样。

海水流动时，与海底摩擦，水体内部也在搅动，一部分运动能量渐渐变成热。要让潮汐一直发生，就得不断补充消耗掉的能量，今天这部分能量主要来自地球自转。

月球绕地球一周的时间里，地球已经转了许多圈。在这个简化的图景中，海底和海水相互作用，把隆起的海水沿地球自转方向带到前面，偏过正对月球的位置。月球拉着这部分海水，其中一部分拉力与地球自转方向相反，便会阻碍地球转动，让它极其缓慢地减速。

地球损失的自转能，一部分在潮汐运动中变成热，另一部分使月球的轨道逐渐扩大，月球也就逐渐离地球更远。

太阳也会引起潮汐，因为它对地球近侧和远侧的引力同样有差别。太阳、月球相对地球的位置变了，它们对潮水的作用也会改变。两者相互加强时，高潮和低潮的水位差通常较大；部分抵消时，水位差通常较小。这里起作用的是太阳的引力，与照在海面上的阳光不同。

地下涌出来的温泉，带来的则是岩石深处的热。美国阿肯色州的温泉国家公园里，泉水从温泉山的山坡涌出。研究发现，这些水原本来自落在山地的雨雪。

雨雪水渗到地下，沿岩石裂缝慢慢往深处流。这里的岩石通常越深越热，水在地下流得慢，与热岩石接触的时间长，也就逐渐热了起来。到了与地表连通、能让水较快上升的裂缝，水便沿裂缝返回地面，把地下的热带到泉口。

有的地方，温泉附近有岩浆，岩浆能给水供热；温泉国家公园的水则是在深层流动时，从热岩石那里吸收热量。阳光也能把土壤晒暖，使浅层地温随着昼夜和季节变化，但这里让泉水热起来的，是更深处的地下热量。

地下的岩石为什么热？有一部分热，是地球形成早期留下来的。当时许多物体在引力作用下聚到一起，碰撞使运动能量变成热；物质往地球内部聚集、下沉，也会释放能量，使内部变热。地球很大，内部的热向外散得慢，早期产生的一部分热便一直留到了今天。

岩石里还有放射性元素，它们的原子核会自发转变，同时释放能量，这就叫放射性衰变。周围物质吸收这些能量，就会变热，地球内部也就不断得到新的热量。地下的热慢慢向外传，水流过热岩石时，又吸收一部分热，最后沿裂缝把热带到了地表的泉口。

阳光来到地球以后，带来的能量还会继续传递、转变。等我们吃下一口食物，或借助水流让机器转起来时，眼前即使没有阳光，也可能正在使用它曾经带来的能量。太阳带给我们的，远不止白天的光亮和温暖。