stringtranslate.com

Цвет воды

стакан прозрачной воды на деревянном столе
Когда вода находится в небольших количествах (например, в стакане), человеческому глазу она кажется бесцветной .

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.

Внутренний цвет

Крытый бассейн сверху кажется голубым, поскольку свет, отражающийся от дна бассейна, проходит через достаточное количество воды, чтобы поглотить его красный компонент. Та же вода в ведре меньшего размера выглядит лишь слегка голубым, [1] и при наблюдении за водой с близкого расстояния она кажется бесцветной невооруженному глазу.

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 .

Цвет озер и океанов

Большие водоемы, такие как океаны, демонстрируют присущий воде синий цвет.

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]

Оттенок отраженного неба способствует воспринимаемому лазурному цвету воды, но большая часть голубого цвета возникает из-за собственного цвета воды, рассеянного обратно на поверхность небольшими взвешенными частицами.

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 ]

Цвет ледников

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.

Цвет проб воды

Высокие концентрации растворенной извести придают воде водопада Хавасу голубой цвет.

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.

Качество и цвет воды

Мука ледниковых пород придает новозеландскому озеру Пукаки более светлый бирюзовый цвет, чем его соседи.

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:

Названия цветов

Красный прилив у побережья Калифорнии

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.

Рекомендации

  1. ^ Дэвис, Джим; Миллиган, Марк (5 апреля 2011 г.), Почему Медвежье озеро такое голубое? И другие часто задаваемые вопросы, Серия общественной информации, том. 96, Геологическая служба Юты , с. 10, ISBN 978-1-55791-842-0, архивировано из оригинала 23 января 2012 года , получено 5 октября 2011 года.
  2. ^ Папа; Фрай (1996). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Измерения интегрирующей полости». Прикладная оптика . 36 (33): 8710–8723. Бибкод : 1997ApOpt..36.8710P. дои : 10.1364/ao.36.008710. ПМИД  18264420.
  3. ^ Браун, Чарльз Л.; Смирнов Сергей Н. (1993), «Почему вода голубая?» (PDF) , Журнал химического образования , 70 (8): 612–614, Бибкод : 1993JChEd..70..612B, doi : 10.1021/ed070p612
  4. ^ Веб-экспонаты. «Цвета от вибрации». Причины цвета . Веб-выставки . Архивировано из оригинала 23 февраля 2017 года . Проверено 21 октября 2017 г. 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.
  5. ^ Браун и Смирнов 1993, с. 612: «...любой простой ответ неизбежно введет в заблуждение. Оказывается, вклад в наблюдаемый цвет вносят как отраженный свет неба, так и собственное поглощение».
  6. ^ «Распространенные заблуждения об океанах — Полярные океаны — помимо пингвинов и белых медведей» . Проверено 5 июля 2022 г.
  7. ^ Россинг, Томас Д.; Кьяверина, Кристофер Дж. (1999). Световедение: физика и изобразительное искусство . Springer Science+Business Media . стр. 6–7. ISBN 978-0-387-98827-6.
  8. ^ Браун и Смирнов 1993, с. 613: «...относительный вклад отраженного света неба и света, рассеянного обратно из глубины, сильно зависит от угла наблюдения».
  9. ^ Поуп, Робин М.; Фрай, Эдвард С. (20 ноября 1997 г.). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Измерения интегрирующей полости». Прикладная оптика . Оптическое общество. 36 (33): 8710–8723. Бибкод : 1997ApOpt..36.8710P. дои : 10.1364/ao.36.008710. ISSN  0003-6935. ПМИД  18264420.
  10. ^ Морель, Анклер; Приер, Луи (1977). «Анализ изменений цвета океана1». Лимнология и океанография . Уайли. 22 (4): 709–722. Бибкод : 1977LimOc..22..709M. дои : 10.4319/lo.1977.22.4.0709 . ISSN  0024-3590.
  11. ^ Дирсен, Хайди М.; Кудела, Рафаэль М.; Райан, Джон П.; Циммерман, Ричард К. (2006). «Красные и черные приливы: количественный анализ покидающего воду сияния и воспринимаемого цвета фитопланктона, окрашенных растворенных органических веществ и взвешенных отложений». Лимнология и океанография . Уайли. 51 (6): 2646–2659. Бибкод : 2006LimOc..51.2646D. дои : 10.4319/lo.2006.51.6.2646 . ISSN  0024-3590. S2CID  6951672.
  12. ^ Международная организация по стандартизации, ISO 2211:1973, Измерение цвета в единицах Хазена (платиново-кобальтовая шкала) жидких химических продуктов.
  13. ^ Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология (3-е изд.). Нью-Йорк: Академическая пресса .
  14. ^ Каннас, Антонелло. «Танины: увлекательные, но иногда опасные молекулы». Факультет зоотехники Корнеллского университета . Cornell University . Проверено 25 сентября 2020 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки