Чистая вода имеет слабый голубой оттенок потому, что её молекулы немного сильнее поглощают красную часть видимого света, чем синюю. После прохождения достаточно длинного пути через воду в свете остаётся меньше красных и оранжевых лучей, поэтому дошедший до глаз свет выглядит голубым или сине-зелёным. В обычном стакане этот эффект почти незаметен, поскольку слой воды слишком мал.
Как вода меняет белый свет
Белый солнечный свет состоит из излучения разных длин волн, которые глаз воспринимает как цвета от фиолетового до красного. Если вещество одинаково хорошо пропускает весь видимый диапазон, оно кажется бесцветным и прозрачным. Если же часть спектра поглощается сильнее, соотношение цветов в прошедшем свете меняется. Этот эффект дополняет общую картину проникновения света в воду.
Вода относительно прозрачна для видимого света, но не совершенно одинакова для всех его составляющих. Красный и ближний к нему оранжевый свет ослабевают в ней быстрее, а синий проходит дальше. Разница невелика на каждом сантиметре пути, однако постепенно накапливается. В результате свет, прошедший через толстый слой чистой воды, оказывается обеднён красными лучами.
Чтобы увидеть цвет, недостаточно лишь направить свет в воду. Часть дошедшего в глубину света должна вернуться к наблюдателю. Она может отразиться от светлого дна, рассеяться на частицах или на самих молекулах воды. На обратном пути красная составляющая снова поглощается. Поэтому бассейн с белым дном нередко выглядит голубым: свет проходит вниз, отражается и ещё раз проходит через воду.
Почему молекулы воды поглощают красные лучи
Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода. Связи между ними нельзя представлять как неподвижные палочки. Атомы способны совершать определённые колебания: связи растягиваются и сокращаются, а угол между ними изменяется.
Основные колебательные переходы воды соответствуют инфракрасному излучению, которое человеческий глаз не видит. Однако у молекулы существуют также более высокие колебательные состояния. С ними связаны слабые полосы поглощения, достигающие красной области видимого спектра. Поглощённый фотон передаёт энергию молекуле, усиливая её колебательное движение. В дальнейшем эта энергия рассеивается среди окружающих молекул.
Именно этот механизм придаёт чистой воде собственный, или внутренний, цвет. Голубизна не требует растворённого красителя и не возникает из-за наличия в воде синих частиц. Она связана с устройством самих молекул воды и с тем, как они взаимодействуют со светом.
Почему вода в стакане кажется бесцветной
Поглощение красного света чистой водой очень слабое. На пути в несколько сантиметров изменение спектра слишком мало, чтобы глаз уверенно заметил оттенок. Кроме того, восприятие зависит от освещения, цвета стенок стакана и окружающего фона. Поэтому небольшая порция воды выглядит прозрачной и практически бесцветной.
С увеличением толщины слоя эффект становится заметнее. Его можно увидеть, если смотреть через длинный объём очищенной воды на белый источник света или светлый фон. Тот же принцип действует в глубоком бассейне. Свет, отразившийся от дна, проходит через воду дважды, поэтому даже умеренная глубина создаёт достаточно длинный оптический путь.
Оттенок усиливается не потому, что в большом объёме внезапно появляется новое вещество. Каждый дополнительный участок пути понемногу убирает из света преимущественно длинноволновую часть спектра. Похожим образом несколько почти прозрачных цветных стёкол, сложенных вместе, дают более насыщенный цвет, чем одно стекло.
Действительно ли вода голубая из-за отражения неба
Отражение неба влияет на внешний вид озера или моря, но не является единственной причиной голубого цвета воды. Гладкая поверхность частично работает как зеркало. Особенно хорошо отражение заметно при взгляде под небольшим углом, когда наблюдатель видит на воде облака и окружающий пейзаж. При этом у вопроса, почему небо голубое, есть собственное объяснение, связанное прежде всего с рассеянием света в атмосфере.
Однако чистая вода сохраняет собственный голубой оттенок и там, где небо не может отражаться в ней напрямую. Например, голубизна бывает заметна в крытом бассейне со светлыми стенками и дном. Это показывает, что вода сама избирательно поглощает видимый свет.
При наблюдении природного водоёма складываются сразу несколько эффектов. Часть света отражается от поверхности, часть проникает внутрь, поглощается и рассеивается, а часть возвращается от дна или взвешенных частиц. Поэтому конкретный цвет зависит не только от свойств молекул воды, но и от погоды, угла зрения, глубины и состава водоёма.
Почему вода бывает бирюзовой, зелёной или коричневой
Совершенно чистая вода в природе почти не встречается. В ней находятся растворённые соли и органические вещества, микроскопические организмы, пузырьки и минеральные частицы. Все они по-разному поглощают и рассеивают свет, изменяя собственный слабый оттенок воды.
Фитопланктон и водоросли часто придают водоёму зелёный цвет. Мелкие минеральные частицы могут сделать его молочно-бирюзовым, серым или коричневатым. Растворённые вещества, образующиеся при разложении листьев и другой растительности, поглощают синие лучи и окрашивают воду в жёлтые и бурые тона. Донный песок, камни и отделка бассейна также меняют свет, который возвращается к глазам.
Яркая бирюза мелководья обычно возникает благодаря сочетанию нескольких условий. Красная часть света ослабляется водой, светлое дно хорошо возвращает оставшееся излучение, а небольшие частицы усиливают рассеяние. В глубокой чистой воде голубой оттенок становится темнее, но при очень большой глубине водоём может казаться почти чёрным: свет поглощается прежде, чем успевает вернуться к поверхности.
По одному цвету нельзя надёжно судить о чистоте и безопасности воды. Прозрачный голубой водоём может содержать невидимые растворённые вещества или микроорганизмы, а естественно коричневатая вода иногда обязана цветом безвредным растительным соединениям. Необычный пример даёт объяснение, почему вода озера Хиллер имеет розовый цвет. Цвет описывает взаимодействие воды и её примесей со светом, но не заменяет анализ состава.
Почему лёд тоже может выглядеть голубым
Тот же принцип проявляется в толстом прозрачном льду. В плотной массе ледника свет проходит значительное расстояние, и его красная составляющая постепенно поглощается. Свет, вернувшийся из глубины трещины или ледяной толщи, поэтому кажется синим.
Обычный снег выглядит белым по другой причине. Между снежинками находится множество границ льда и воздуха, на которых свет многократно рассеивается. Все видимые цвета возвращаются примерно вместе, и глаз воспринимает их смесь как белую. Плотный старый лёд содержит меньше воздушных полостей и позволяет свету пройти более длинный путь внутри вещества, поэтому его собственный голубой оттенок становится заметнее.
Что в действительности означает голубой цвет воды
Голубизна чистой воды является её физическим свойством, а не простой копией цвета неба. Молекулярные колебания создают слабое поглощение в красной области, и с увеличением пути света разница между красными и синими лучами становится видимой. В стакане путь короток, поэтому вода кажется бесцветной, а в бассейне, глубоком озере или толще прозрачного льда тот же небольшой эффект многократно накапливается.
Цвет реального водоёма всегда сложнее. К собственной голубизне воды добавляются отражение неба, освещение, глубина, цвет дна, рассеяние и примеси. Поэтому вода может выглядеть синей, бирюзовой, зелёной, бурой или почти чёрной, хотя её молекулы продолжают избирательно ослаблять красную часть света.
