Вода кажется прозрачной и бесцветной в небольших количествах. Однако большие водоемы, такие как океан, приобретают глубокий синий цвет. Это кажущееся противоречие имеет научное объяснение, связанное с тем, как вода поглощает и рассеивает свет. Понимание факторов, которые вызывают синий цвет моря, дает представление об оптических свойствах воды.
Молекулы воды естественным образом поглощают свет в красной части видимого светового спектра. Когда солнечный свет попадает в океан, молекулы воды взаимодействуют со световыми волнами. Синий свет имеет короткую длину волны и рассеивается во всех направлениях. Но красный свет поглощается, а не отражается, из-за чего океан кажется синим.
Вот несколько основных причин, по которым океан кажется синим:
– Вода поглощает длинноволновый красный свет.
– Более коротковолновый синий свет рассеивается и отражается.
– Эффект рассеивания усиливается в больших водоемах.
– Примеси в воде способствуют интенсивности синего цвета.
Конкретные эффекты поглощения и рассеяния, которые обуславливают цвет океана, следующие:
Избирательное поглощение – Вода поглощает свет в красной части спектра, пропуская синий свет. Это удаляет красные длины волн, позволяя синему свету возвращаться.
Рэлеевское рассеяние – Небольшие молекулы воды преломляют и рассеивают синий свет во всех направлениях, отражая его обратно. Это добавляет синеву.
Рассеяние Тиндаля — синий свет рассеивается более крупными частицами, такими как ил, осадок и водоросли. Они увеличивают интенсивность синего цвета.
В стакане воды эти эффекты рассеивания чрезвычайно слабы. Если смотреть через длинный столб чистой воды, можно заметить лишь очень слабый голубоватый оттенок. Вот почему чашка воды кажется бесцветной:
– Небольшое количество воды не поглощает достаточно красного света, чтобы иметь значение.
– На коротких расстояниях наблюдается очень малое рэлеевское рассеяние.
– Примеси, способствующие рассеянию Тиндаля, в стакане минимальны.
Поэтому, в то время как крупные тела демонстрируют сильный синий цвет, небольшие количества воды не проявляют заметных эффектов.
Глубина морской воды влияет на интенсивность ее синего цвета. Мелководные участки у берега пропускают больше света, уменьшая синий цвет. Но свет, проходящий через очень глубокую воду, по сути, весь синий, создавая очень глубокий синий цвет океана.
Растворенные частицы также влияют на цвет моря. Большее количество осадков и организмов усиливает эффекты рассеяния и поглощения. Увеличение количества таких примесей усиливает синий цвет.
Ученые используют индекс, называемый шкалой Фореля-Уле, для количественной оценки цвета океана. Эта шкала присваивает значение от 1 до 21 на основе визуального наблюдения, причем более высокие числа указывают на более глубокий синий цвет.
| Шкала Фореля-Уле | Цвет моря |
|---|---|
| 1-5 | Светло-зеленовато-голубой |
| 6-9 | Средне-зеленовато-голубой |
| 10-15 | Темно-зеленовато-голубой |
| 16-21 | Темно-синий |
Шкала показывает, что цвет океана может варьироваться от светло-синего до очень темно-синего в зависимости от таких факторов, как глубина и взвешенные частицы. Чистая вода все еще пропускает немного синего света даже на небольшой глубине.
Хотя рассеяние и поглощение в первую очередь определяют цвет океана, другие факторы могут изменить его внешний вид:
– Угол падения солнечных лучей – Низкие углы падения солнечных лучей усиливают синий цвет около восхода и заката. Верхний солнечный свет размывает цвет.
– Перспектива просмотра – Вода выглядит более темно-синей, если смотреть на солнце, чем против него.
– Погода – Облачность или туман блокируют солнечный свет и приглушают синий цвет.
– Прибрежные воды – Сток, несущий осадки и твердые частицы, делает прибрежные воды более зелеными и мутными.
– Цветение водорослей – Избыточный рост водорослей может сделать большие участки воды красными, зелеными или коричневыми.
Отличительный синий цвет океана возникает из-за избирательного поглощения и рассеивания света молекулами воды и примесями. Хотя небольшие объемы не демонстрируют этих эффектов, большие тела, такие как море, накапливают достаточно синего отражения света, чтобы приобрести насыщенный синий оттенок. Количественная оценка оттенка по шкале Фореля-Уле показывает, как такие факторы, как глубина и частицы, изменяют интенсивность этого захватывающего цвета. Понимание задействованной оптики разрешает загадку того, почему большие водные пространства кажутся темно-синими по сравнению с прозрачным стеклом.