Цвет воды меняется в зависимости от условий окружающей среды, в которых она находится. Хотя относительно небольшие количества воды кажутся бесцветными , чистая вода имеет легкий синий цвет, который становится темнее по мере увеличения толщины наблюдаемого образца. Цвет воды является внутренним свойством и обусловлен избирательным поглощением и рассеянием синего света. Растворенные элементы или взвешенные примеси могут придать воде другой цвет.
Собственный цвет жидкой воды можно продемонстрировать, посмотрев на источник белого света через длинную трубу, наполненную очищенной водой и закрытую с обоих концов прозрачным окном. Светло- голубой цвет обусловлен слабым поглощением красной части видимого спектра . [2]
Поглощение в видимом спектре обычно связывают с возбуждением электронных энергетических состояний вещества. Вода представляет собой простую трехатомную молекулу H 2 O, и все ее электронные поглощения происходят в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра и поэтому не отвечают за цвет воды в видимой области спектра. Молекула воды имеет три основных режима вибрации . Два валентных колебания связей О–Н в газообразном состоянии воды возникают при v 1 = 3650 см -1 и v 3 = 3755 см -1 . Поглощение за счет этих колебаний происходит в инфракрасной области спектра. Поглощение в видимом спектре обусловлено главным образом гармоникой v 1 + 3 v 3 = 14,318 см -1 , что эквивалентно длине волны 698 нм. В жидком состоянии при 20°C эти колебания смещаются в красную сторону за счет водородных связей, что приводит к поглощению красного цвета при 740 нм, а другие гармоники, такие как v 1 + v 2 + 3 v 3, дают поглощение красного цвета при 660 нм. [3] Кривая поглощения тяжелой воды (D 2 O) имеет аналогичную форму, но еще больше сдвинута в сторону инфракрасного конца спектра, поскольку колебательные переходы имеют меньшую энергию. По этой причине тяжелая вода не поглощает красный свет, и поэтому крупные тела D 2 O не будут иметь характерного голубого цвета, характерного для более часто встречающейся легкой воды ( 1 H 2 O). [4]
Интенсивность поглощения заметно снижается с каждым последующим обертоном, что приводит к очень слабому поглощению третьего обертона. По этой причине труба должна иметь длину не менее метра, а воду необходимо очищать с помощью микрофильтрации для удаления любых частиц, которые могут вызвать рассеяние Ми .
Озера и океаны кажутся голубыми по нескольким причинам. Во-первых, поверхность воды отражает цвет неба , который варьируется от голубого до светло- голубого . Распространено заблуждение, что это отражение является единственной причиной, по которой водоемы кажутся голубыми, хотя оно может способствовать этому. Из-за этого эффекта водный объект обычно кажется скорее лазурным, чем голубым, в зависимости от того, насколько яркое небо. [5] [6] Вода в бассейнах с белыми стенками и дном будет казаться голубым даже в закрытых бассейнах, где нет отраженного неба. Чем глубже бассейн, тем интенсивнее становится голубой цвет. [7]
Некоторая часть света, падающего на поверхность океана, отражается, но большая часть проникает через поверхность воды, взаимодействуя с молекулами воды и другими веществами в воде. Молекулы воды могут вибрировать в трех разных режимах при взаимодействии со светом. Красные, оранжевые и желтые длины волн света поглощаются, поэтому оставшийся видимый свет состоит из зеленых, голубых и синих волн. Это основная причина того, что цвет океана голубой. Относительный вклад отраженного света неба и света, рассеянного обратно из глубины, сильно зависит от угла наблюдения. [8]
Рассеяние взвешенных частиц также играет важную роль в цвете озер и океанов, в результате чего вода в разных местах выглядит то зеленее, то синей. Вода в несколько десятков метров поглотит весь свет, поэтому без рассеяния все водоемы будут казаться черными. Поскольку большинство озер и океанов содержат взвешенное живое вещество и минеральные частицы, свет сверху рассеивается и часть его отражается вверх. Рассеяние взвешенных частиц обычно дает белый цвет, как в случае со снегом, но поскольку свет сначала проходит через многометровую жидкость голубого цвета, рассеянный свет кажется голубым. В чрезвычайно чистой воде, как это бывает в горных озерах, где рассеяние частиц очень мало, рассеяние на самих молекулах воды также придает голубой цвет. [9] [10]
Диффузное излучение неба за счет рэлеевского рассеяния в атмосфере вдоль луча зрения придает удаленным объектам голубой или светло- лазурный оттенок. Чаще всего это наблюдается на далеких горах, но также способствует голубизне океана на расстоянии. [ нужна цитата ]
Ледники — это большие массы льда и снега , образовавшиеся в холодном климате в результате процессов, связанных с уплотнением выпавшего снега. В то время как снежные ледники кажутся белыми на расстоянии, большая длина пути внутреннего отраженного света приводит к тому, что ледники кажутся темно-синими, если смотреть вблизи и когда они защищены от прямого окружающего света. [ нужна цитата ]
Относительно небольшие количества обычного льда кажутся белыми из-за большого количества пузырьков воздуха, а также потому, что небольшие количества воды кажутся бесцветными. В ледниках, с другой стороны, давление заставляет пузырьки воздуха, попавшие в скопившийся снег, выдавливаться, увеличивая плотность образовавшегося льда. Большое количество воды кажется голубым, поэтому большой кусок сжатого льда или ледник также будет выглядеть голубым.
Растворенные в воде вещества и частицы могут сделать ее более зеленой, коричневой, коричневой или красной. Например, растворенные органические соединения , называемые дубильными веществами , могут придавать темно-коричневый цвет, а плавающие в воде водоросли (частицы) могут придавать зеленый цвет. [11] Цветовые вариации можно измерить по стандартной цветовой шкале. Двумя примерами стандартных цветовых шкал для природных водоемов являются шкала Фореля-Уле и шкала Платина-Кобальт . Например, незначительное изменение цвета измеряется по платиново-кобальтовой шкале в единицах Хазена (HU). [12]
Цвет пробы воды можно определить следующим образом:
Проверка цвета может быть быстрым и простым тестом, который часто отражает количество органических веществ в воде, хотя некоторые неорганические компоненты, такие как железо или марганец, также могут придавать цвет.
Цвет воды может выявить физические, химические и бактериологические условия. В питьевой воде зеленый цвет может указывать на выщелачивание меди из медной сантехники, а также на рост водорослей. Синий также может указывать на медь или может быть вызван сифонированием промышленных чистящих средств в резервуары туалетов, широко известным как обратный поток. Красный цвет может быть признаком ржавчины из железных труб или переносимых по воздуху бактерий из озер и т. д. Черная вода может указывать на рост серовосстанавливающих бактерий внутри резервуара с горячей водой, установленного на слишком низкую температуру. Обычно это имеет сильный запах серы или тухлых яиц (H 2 S), и его легко исправить, слив воду из водонагревателя и повысив температуру до 49 °C (120 °F) или выше. Запах всегда будет в трубах с горячей водой, если его причиной являются сульфатредуцирующие бактерии, и никогда в водопроводе с холодной водой. [ нужна ссылка ] Изучение цветового спектра индикации загрязненности воды может облегчить выявление и решение косметических, бактериологических и химических проблем.
Наличие цвета в воде не обязательно означает, что вода непригодна для питья . Вода с высокой прозрачностью обычно имеет более голубой цвет из-за низкой концентрации частиц и/или растворенных веществ . Твердые вещества, вызывающие окрашивание, можно легко удалить фильтрацией. Растворенные вещества, вызывающие окраску, такие как дубильные вещества , токсичны для животных только в больших концентрациях. [14]
Цвет растворенных веществ не удаляется обычными фильтрами для воды ; однако использование коагулянтов может привести к улавливанию соединений, вызывающих окрашивание, в образующемся осадке . [ нужна цитация ] На видимый цвет могут повлиять и другие факторы:
Различные культуры разделяют семантическое поле цветов по-разному, чем в английском языке, а некоторые не различают синий и зеленый одинаково. Примером может служить валлийский , где glas может означать синий или зеленый, или вьетнамский , где xanh также может означать и то, и другое. И наоборот, в русском и некоторых других языках нет единого слова для обозначения синего, а есть разные слова для обозначения голубого ( голубой , голубой ) и темно-синего ( синий , синий ).
Другие цветовые названия, присвоенные водоемам, — морской зеленый и ультрамариновый синий. Необычные цвета океана породили термины «красный прилив» и «черный прилив» .
Древнегреческий поэт Гомер употребляет эпитет « винно-темное море »; кроме того, он также описывает море как «серое». Уильям Юарт Гладстон предположил, что это связано с тем, что древние греки классифицировали цвета в первую очередь по яркости, а не по оттенку, в то время как другие полагают, что Гомер был дальтоником . [ нужна цитата ]
Древнеиндийская мудрость Вед считает дарующий жизнь вклад воды частью божественного и признает воду первобытным Богом Варуной ; а цвет Варуны описывается как синий. В Гаятри , связанной с Варуной, слово «нила пуруша» стоит во второй строке, обозначая водное божество, синее.
Тяжелая вода бесцветна, потому что все соответствующие ей колебательные переходы смещаются в сторону более низких энергий (более высоких длин волн) за счет увеличения массы изотопа.