Сегодня океан кажется нам синим, но всегда ли он был таким на протяжении всей истории? Синий цвет, который мы видим, вызван поглощением водой цветов в красной части видимого спектра света. Но состав и оптика морской воды со временем изменились, заставив некоторых задуматься: какого цвета был океан до того, как он стал синим?
В этой статье мы рассмотрим науку, лежащую в основе цвета океана, и то, как он менялся на протяжении истории Земли. Такие факторы, как эволюция фотосинтетической жизни и изменения в химии океана, повлияли на цвет океана. Рассматривая эти влияния, мы можем собрать воедино историю изменения оттенка океана.
Океан кажется синим преимущественно из-за поглощения водой цветов в красной части видимого спектра света. Вот как это работает:
Видимый свет от солнца содержит все цвета радуги. Но когда этот свет попадает в океан, большая часть красного, оранжевого и желтого света поглощается молекулами воды в течение первых нескольких метров. Более короткие длины волн на сине-фиолетовом конце спектра проникают глубже в толщу воды, прежде чем поглощаются.
Синие и фиолетовые световые волны также рассеиваются преимущественно при прохождении через воду. Это рассеяние отражает более короткие длины волн обратно, позволяя синему свету достигать наших глаз. Рассеянный свет, возвращающийся на поверхность, создает синий цвет, который мы видим.
Особые поглощающие и рассеивающие свойства воды обусловлены ее молекулярной структурой. Связи между водородом и кислородом эффективно поглощают свет на красном конце спектра. Более короткие синие волны имеют частоты, которые могут проходить через эти связи, не поглощаясь так сильно.
Итак, вкратце, молекулы воды в океане поглощают длинные красные волны, рассеивая короткие синие, придавая морю его характерный синий цвет. Но изменение соединений в морской воде может изменить этот процесс.
Доказательства свидетельствуют о том, что океан был синим на протяжении большей части истории Земли. Но ученые считают, что интенсивность и оттенок цвета эволюционировали на протяжении миллиардов лет:
В адских условиях Гадейского эона после образования Земли молодая планета, вероятно, имела серые океаны. При высокой концентрации железа, силикатов и других соединений, вызванных вулканической активностью, моря поглощали больше светового спектра и казались скорее серыми, чем синими.
К архею океан, возможно, приобрел голубой оттенок. Концентрация железа снизилась, что позволило океану поглощать меньше красного света. Но моря все еще содержали минимальное количество кислорода и органических молекул, чтобы производить яркий синий цвет. Цианобактерии эволюционировали в течение этого эона, выделяя первый кислород в океаны.
Повышенный уровень кислорода от древних цианобактерий, вероятно, окрасил архейские океаны в бирюзовый цвет к протерозою. Но в морях содержалось меньше кислорода, чем сегодня, а также растворенные органические молекулы, которые поглощали больше света. Эти условия не позволили океану стать темно-синим.
К началу фанерозойского эона около 540 миллионов лет назад океан, вероятно, начал приобретать знакомый синий оттенок. По мере того, как уровень кислорода поднялся до почти современного уровня, большая часть растворенной органики окислилась. Это привело к тому, что более чистая вода выборочно поглощала длинные волны, создавая яркий синий цвет, узнаваемый в современных океанах.
Океан, вероятно, был преимущественно синим с начала фанерозойского эона. Но точный оттенок и интенсивность синего цвета колебались в течение последних полумиллиарда лет из-за изменений в морских организмах, химии морской воды и климата:
Фитопланктон, как и водоросли, содержит пигменты, такие как хлорофилл, которые поглощают свет. Когда концентрация фитопланктона высока, он может поглощать больше синего света и смещать океаны в сторону зеленого или серого. Во время таких событий, как цветение водорослей, вода может временно стать темнее и более зеленой.
Более высокие концентрации растворенных элементов и осадков могут изменять поглощающие и рассеивающие свойства океанов. Во времена высокого поступления железа поглощалось больше синего света, уменьшая синеву океана. Богатые глиной отложения смещали цвет в сторону зеленого. В то время как чистые моря с низким содержанием осадка усиливают синий цвет.
Климатические сдвиги привели к изменениям в циркуляции океана, планктонных сообществах, моделях стока и ледяном покрове — все это повлияло на синий цвет:
По сути, конкретная длина волны синего света, отраженная обратно, постоянно менялась в зависимости от климата Земли и состава морской экосистемы с течением времени.
Сегодняшний синий оттенок океана, вероятно, довольно похож на оттенок предыдущих столетий до индустриализации. Но деятельность человека за последние 250 лет заметно повлияла на цвет в некоторых регионах:
Эрозия почвы из-за сельского хозяйства, добычи полезных ископаемых и нарушения земель привела к тому, что в океан попало больше осадков, которые поглощают свет и уменьшают синий цвет, особенно вблизи береговых линий.
Сток удобрений и сброс сточных вод увеличили содержание питательных веществ, таких как азот и фосфор. Это усиливает рост фитопланктона, поглощая больше синего света и смещая цвет в сторону зеленого.
Нефть от разливов и утечек плавает на поверхности океана, образуя пленки, которые отражают больше света. Это меняет синий цвет на более серебристый блеск и зеленоватые тона.
Однако вдали от берегов и человеческой деятельности открытый океан сохраняет свой синий оттенок, похожий на тот, что был в предыдущей истории. Но новые спутниковые измерения показывают, что в цвете океана во всем мире происходят незначительные изменения из-за последствий изменения климата.
Прогнозируемые последствия изменения климата могут заметно изменить оттенок синего в наших океанах в ближайшие десятилетия:
Повышение температуры моря изменит видовой состав и темпы роста планктона. Некоторые климатические модели предсказывают более частое цветение водорослей, поглощающих больше синего света.
Больший приток пресной воды в море из-за таяния ледяных щитов и ледников может нести больше растворенного органического углерода. Более высокий сток может также увеличить количество отложений. Оба фактора могут сделать океаны менее синими.
Увеличение поглощения CO2 делает океаны более кислыми, изменяя химический состав морской воды. Пока неизвестно, как это будет взаимодействовать с рассеянием света, но это может потенциально повлиять на цвет океана.
Ожидается, что в более теплых океанах будет содержаться меньше растворенного кислорода. Поскольку кислород влияет на поглощение света, уменьшение концентрации может уменьшить синеву.
| Период | Приблизительный возраст | Вероятный цвет океана |
|---|---|---|
| Гадейский эон | 4,6 – 4 миллиарда лет назад | Серый |
| Архейский эон | 4 – 2,5 миллиарда лет назад | Голубой |
| Протерозойский эон | 2,5 миллиарда – 542 миллиона лет назад | Бирюзовый |
| Фанерозойский эон | 542 миллиона лет назад – настоящее | Синий |
Хотя океан, вероятно, был синим в течение примерно последних 500 миллионов лет, точный оттенок колебался в зависимости от эпох, периодов и климатических сдвигов. Такие факторы, как химия океана, планктон и сток, привели к изменению цвета на градиентах между синим, зеленым, серым и бирюзовым тонами. Недавняя деятельность человека также влияет на цвет океана в местных регионах. Двигаясь вперед, воздействие изменения климата на такие факторы, как рост планктона, таяние льда, кислотность океана и содержание кислорода, может изменить синий цвет, который мы приписываем нашим морям. Лучшее понимание того, как взаимодействуют эти механизмы, будет иметь ключевое значение для прогнозирования будущего оттенка океана.