stringtranslate.com

Цвет воды

стакан прозрачной воды стоит на деревянном столе
Когда вода находится в небольших количествах (например, в стакане), она кажется бесцветной для человеческого глаза .

Цвет воды меняется в зависимости от условий окружающей среды, в которых находится вода. В то время как относительно небольшие количества воды кажутся бесцветными , чистая вода имеет слегка голубой цвет, который становится глубже по мере увеличения толщины наблюдаемого образца. Оттенок воды является внутренним свойством и обусловлен селективным поглощением и рассеиванием синего света. Растворенные элементы или взвешенные примеси могут придавать воде другой цвет.

Внутренний цвет

Крытый бассейн сверху кажется голубым, так как свет, отражающийся от дна бассейна, проходит через достаточное количество воды, чтобы его красная составляющая была поглощена. Та же вода в меньшем ведре выглядит лишь слегка голубоватой, [1] а наблюдение за водой с близкого расстояния делает ее бесцветной для невооруженного глаза.

Собственный цвет жидкой воды можно продемонстрировать, глядя на источник белого света через длинную трубу, заполненную очищенной водой и закрытую с обоих концов прозрачным окном. Светло- голубой цвет обусловлен слабым поглощением в красной части видимого спектра . [2]

Поглощения в видимом спектре обычно приписываются возбуждениям электронных энергетических состояний в веществе. Вода - это простая трехатомная молекула , H 2 O, и все ее электронные поглощения происходят в ультрафиолетовой области электромагнитного спектра и, следовательно, не отвечают за цвет воды в видимой области спектра. Молекула воды имеет три основных режима колебаний . Два валентных колебания связей O–H в газообразном состоянии воды происходят при v 1 = 3650 см −1 и v 3 = 3755 см −1 . Поглощение, вызванное этими колебаниями, происходит в инфракрасной области спектра. Поглощение в видимом спектре обусловлено в основном гармоникой v 1 +  3 v 3 = 14 318 см −1 , что эквивалентно длине волны 698 нм. В жидком состоянии при 20 °C (68 °F) эти колебания смещены в красную сторону водородными связями, что приводит к красному поглощению при 740 нм, другие гармоники, такие как v 1  + v 2  + 3 v 3, дают красное поглощение при 660 нм. [3] Кривая поглощения для тяжелой воды (D 2 O) имеет похожую форму, но смещена дальше в сторону инфракрасного конца спектра, поскольку колебательные переходы имеют более низкую энергию. По этой причине тяжелая вода не поглощает красный свет, и поэтому большие объемы D 2 O будут лишены характерного голубого цвета более распространенной легкой воды ( 1 H 2 O). [4]

Интенсивность поглощения заметно уменьшается с каждым последующим обертоном, что приводит к очень слабому поглощению для третьего обертона. По этой причине труба должна иметь длину метр или более, а вода должна быть очищена микрофильтрацией, чтобы удалить любые частицы, которые могут вызвать рассеяние Ми .

Цвет озер и океанов

Озера и океаны кажутся голубыми по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что поверхность воды отражает цвет неба , который варьируется от голубого до светло- голубого . Распространено заблуждение, что это отражение является единственной причиной того, что водоемы кажутся голубыми, хотя оно может вносить свой вклад. Этот вклад обычно делает водоем более лазурным, чем голубым, в зависимости от того, насколько яркое небо. [5] [6] Вода в бассейнах с окрашенными в белый цвет стенками и дном будет казаться голубой, даже в крытых бассейнах, где нет неба, которое могло бы отражаться. Чем глубже бассейн, тем интенсивнее становится голубой цвет. [7]

Часть света, падающего на поверхность океана, отражается, но большая его часть проникает в поверхность воды, взаимодействуя с молекулами воды и другими веществами в воде. Молекулы воды могут вибрировать тремя различными способами, когда они взаимодействуют со светом. Красные, оранжевые и желтые длины волн света поглощаются, поэтому оставшийся видимый свет состоит из зеленых, голубых и синих длин волн. Это главная причина того, что цвет океана голубой. Относительный вклад отраженного небесного света и света, рассеянного обратно из глубин, сильно зависит от угла наблюдения. [8]

Рассеивание взвешенными частицами также играет важную роль в цвете озер и океанов, заставляя воду выглядеть зеленее или голубее в разных областях. Несколько десятков метров воды поглотят весь свет, поэтому без рассеивания все водоемы будут казаться черными. Поскольку большинство озер и океанов содержат взвешенные живые вещества и минеральные частицы, свет сверху рассеивается, и часть его отражается вверх. Рассеивание взвешенными частицами обычно дает белый цвет, как в случае со снегом, но поскольку свет сначала проходит через многие метры жидкости голубого цвета, рассеянный свет кажется голубым. В чрезвычайно чистой воде — как в горных озерах, где рассеяние частицами очень низкое — рассеяние самими молекулами воды также вносит вклад в голубой цвет. [9] [10]

Рассеянное излучение неба из-за рэлеевского рассеяния в атмосфере вдоль линии зрения придает удаленным объектам голубой или светло- голубой оттенок. Это чаще всего заметно на примере далеких гор, но также способствует голубизне океана вдалеке. [ необходима цитата ]

Цвет ледников

Ледники — это большие массы льда и снега, образованные в холодном климате в результате процессов, включающих уплотнение выпавшего снега. В то время как снежные ледники кажутся белыми издалека, длинные пути внутреннего отраженного света заставляют ледники казаться темно-синими, если смотреть вблизи и прикрывать их от прямого окружающего света. [ необходима цитата ]

Относительно небольшие количества обычного льда кажутся белыми, поскольку в них присутствует большое количество пузырьков воздуха, а также потому, что небольшие количества воды кажутся бесцветными. В ледниках, с другой стороны, давление заставляет пузырьки воздуха, запертые в накопленном снеге, выдавливаться, увеличивая плотность созданного льда. Большие количества воды кажутся голубыми, поэтому большой кусок сжатого льда или ледник также будет казаться голубым.

Цвет проб воды

Высокая концентрация растворенной извести придает воде водопада Хавасу голубой цвет.

Растворенные и твердые частицы в воде могут сделать ее более зеленой, желтовато-коричневой, коричневой или красной. Например, растворенные органические соединения, называемые танинами , могут привести к темно-коричневым цветам, или водоросли, плавающие в воде (частицы), могут придать ей зеленый цвет. [11] Изменения цвета можно измерить с помощью стандартной цветовой шкалы. Двумя примерами стандартных цветовых шкал для естественных водоемов являются шкала Фореля-Уле и шкала платины и кобальта . Например, небольшое изменение цвета измеряется по шкале платины и кобальта в единицах Хазена (HU). [12]

Цвет образца воды можно определить следующим образом:

Проверка на цвет может быть быстрым и простым тестом, который часто отражает количество органического материала в воде, хотя некоторые неорганические компоненты, такие как железо или марганец, также могут придавать цвет.

Цвет воды может указывать на физические, химические и бактериологические условия. В питьевой воде зеленый цвет может указывать на выщелачивание меди из медной сантехники, а также может представлять рост водорослей. Синий цвет также может указывать на медь или может быть вызван сифонированием промышленных очистителей в баке унитаза, что обычно называется обратным потоком. Красный цвет может быть признаком ржавчины из железных труб или бактерий, переносимых по воздуху из озер и т. д. Черная вода может указывать на рост серовосстанавливающих бактерий внутри бака с горячей водой, установленного на слишком низкую температуру. Обычно это имеет сильный запах серы или тухлых яиц (H 2 S) и легко устраняется путем слива воды из водонагревателя и повышения температуры до 49 °C (120 °F) или выше. Известно, что сульфатвосстанавливающие бактерии не вызывают проблем в водопроводе с холодной водой. [ необходима ссылка ] Изучение цветового спектра индикации примесей в воде может облегчить выявление и решение косметических, бактериологических и химических проблем.

Качество и цвет воды

Из-за ледниковой каменной муки новозеландское озеро Пукаки имеет более светлый бирюзовый оттенок, 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 . Частицы, вызывающие окрашивание, можно легко удалить фильтрацией. Растворенные вещества, вызывающие окрашивание, такие как танины , токсичны для животных только в большой концентрации. [14]

Цвет растворенных веществ не удаляется обычными фильтрами для воды ; однако использование коагулянтов может привести к улавливанию соединений, вызывающих цвет, в образующемся осадке . [ необходима ссылка ] На наблюдаемый цвет могут влиять и другие факторы:

Названия цветов

Красный прилив у побережья Калифорнии

Различные культуры делят семантическое поле цветов по-разному, нежели в английском языке, и некоторые не различают синий и зеленый таким же образом. Примером может служить валлийский язык , в котором glas может означать синий или зеленый, или вьетнамский язык , в котором xanh также может означать и то , и другое. Напротив, в русском и некоторых других языках нет единого слова для синего, но есть несколько разных слов для голубого ( голубой ) и синего ( синий ) .

Другие названия цветов, присвоенные водоемам, — это морской зеленый и ультрамариновый синий. Необычные океанические цвета дали начало терминам красный прилив и черный прилив .

Древнегреческий поэт Гомер использует эпитет « винно-темное море »; кроме того, он также описывает море как «серое». Уильям Эварт 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 . [ необходима цитата ]

Древняя индийская мудрость Веды считает, что дарующая жизнь вода является частью божественного. Она признает воду древним богом, Варуной , а цвет Варуны описывается как синий. В Гаятри, связанной с Варуной, фраза «Нила пуруша» встречается во второй строке, где водное божество называется синим.

Ссылки

  1. ^ Дэвис, Джим; Миллиган, Марк (5 апреля 2011 г.). Почему озеро Медвежье такое синее? 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 . Получено 5 октября 2011 .
  2. ^ Поуп; Фрай (1996). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Интегрирование измерений полости». Прикладная оптика . 36 (33): 8710–8723. Bibcode :1997ApOpt..36.8710P. doi :10.1364/ao.36.008710. PMID  18264420. S2CID  11061625.
  3. ^ Браун, Чарльз Л.; Смирнов, Сергей Н. (1993). «Почему вода синяя?» (PDF) . Журнал химического образования . 70 (8): 612–614. Bibcode : 1993JChEd..70..612B. doi : 10.1021/ed070p612.
  4. ^ "Цвета от вибрации". Причины цвета. WebExhibits . Архивировано из оригинала 23 февраля 2017 г. Получено 21 октября 2017 г. Тяжелая вода бесцветна, поскольку все ее соответствующие колебательные переходы смещены в сторону более низкой энергии (более высокой длины волны) из-за увеличения массы изотопа.
  5. ^ Браун и Смирнов 1993, стр. 612: «... любой простой ответ обязательно вводит в заблуждение. Оказывается, что вклад в наблюдаемый цвет вносят как отраженный небесный свет, так и собственное поглощение».
  6. ^ «Распространенные заблуждения об океанах — Полярные океаны». Beyond Penguins and Polar Bears . 18 июля 2011 г. Получено 5 июля 2022 г.
  7. ^ Россинг, Томас Д.; Чиаверина, Кристофер Дж. (1999). Световая наука: физика и визуальные искусства . Springer Science+Business Media. стр. 6–7. ISBN 978-0-387-98827-6.
  8. ^ Браун и Смирнов 1993, стр. 613: «... относительный вклад отраженного небесного света 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. Интегрирование измерений полости». Прикладная оптика . 36 (33). Оптическое общество: 8710–8723. Bibcode : 1997ApOpt..36.8710P. doi : 10.1364/ao.36.008710. ISSN  0003-6935. PMID  18264420. S2CID  11061625.
  10. ^ Morel, Anclré; Prieur, Louis (1977). «Анализ изменений цвета океана1». Лимнология и океанография . 22 (4). Wiley: 709–722. Bibcode : 1977LimOc..22..709M. doi : 10.4319/lo.1977.22.4.0709 . ISSN  0024-3590.
  11. ^ Dierssen, Heidi M.; Kudela, Raphael M.; Ryan, John P.; Zimmerman, Richard C. (2006). «Красные и черные приливы: количественный анализ сияния воды и воспринимаемого цвета фитопланктона, окрашенного растворенного органического вещества и взвешенных осадков». Limnology and Oceanography . 51 (6). Wiley: 2646–2659. Bibcode : 2006LimOc..51.2646D. doi : 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, РГ (2001). Лимнология (3-е изд.). Нью-Йорк: Academic Press.
  14. ^ Каннас, Антонелло. «Таннины: увлекательные, но иногда опасные молекулы». Кафедра зоотехники Корнелльского университета . Корнелльский университет . Получено 25 сентября 2020 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки