Цвет воды - Color of water
Цвет воды меняется в зависимости от условий окружающей среды , в которой , что вода присутствует. Хотя относительно небольшие количества воды кажутся бесцветными , чистая вода имеет легкий синий цвет, который становится более глубоким зеленым по мере увеличения толщины наблюдаемого образца. Зеленый оттенок воды является внутренним свойством и вызван избирательным поглощением и рассеянием белого света. Растворенные элементы или взвешенные примеси могут придать воде другой цвет.
Внутренний цвет
Внутренний цвет жидкой воды можно продемонстрировать, посмотрев на источник белого света через длинную трубу, наполненную очищенной водой и закрытую с обоих концов прозрачным окном. Светло- бирюзовый синий цвет вызван слабым поглощением в красной части видимого спектра .
Поглощения в видимой области спектра обычно связывают с возбуждением электронных энергетических состояний в веществе. Вода представляет собой простую трехатомную молекулу 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 ОН в газообразном состоянии воды происходят при v 1 = 3650 см -1 и v 3 = 3755 см -1 . Поглощение из-за этих колебаний происходит в инфракрасной области спектра. Поглощение в видимой области спектра обусловлено в основном гармоникой v 1 + 3v 3 = 14 318 см -1 , что эквивалентно длине волны 698 нм. В жидком состоянии при 20 ° C эти колебания смещены в красную область из-за образования водородных связей, что приводит к поглощению в красном цвете при 740 нм, а другие гармоники, такие как v 1 + v 2 + 3 v 3, дают поглощение в красном цвете при 660 нм. Кривая поглощения тяжелой воды (D 2 O) имеет аналогичную 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 массы D 2 O не будут иметь характерного синего цвета более часто встречающейся легкой воды ( 1 H 2 O).
Интенсивность поглощения заметно уменьшается с каждым последующим обертоном, что приводит к очень слабому поглощению третьего обертона. По этой причине длина трубы должна быть не менее метра, а воду необходимо очищать с помощью микрофильтрации для удаления любых частиц, которые могут вызвать рассеяние Ми .
Цвет озер и океанов
Озера и океаны кажутся голубыми по нескольким причинам. Во-первых, поверхность воды отражает цвет неба . Хотя это отражение способствует наблюдаемому цвету, это не единственная причина. Вода в бассейнах с выкрашенными в белый цвет стенками и дном будет бирюзово-голубой, даже в закрытых бассейнах, где нет голубого неба, которое можно было бы отразить. Чем глубже бассейн, тем вода голубее.
Часть света, падающего на поверхность океана, отражается, но большая часть его проникает через поверхность воды, взаимодействуя с молекулами воды и другими веществами в воде. Молекулы воды могут колебаться в трех разных режимах, когда они взаимодействуют со светом. Красные, оранжевые, желтые и иногда зеленые волны света поглощаются, поэтому оставшийся видимый свет состоит из более коротковолновых синего и фиолетового цветов. Это основная причина, по которой океан имеет синий цвет. Относительный вклад отраженного света в крыше и света, рассеянного обратно с глубины, сильно зависит от угла наблюдения.
Рассеяние взвешенных частиц также играет важную роль в цвете озер и океанов, заставляя воду выглядеть более зеленой или синей в разных областях. Несколько десятков метров воды поглотят весь свет, поэтому без рассеяния все водоемы будут казаться черными. Поскольку большинство озер и океанов содержат взвешенные живые вещества и минеральные частицы, свет сверху рассеивается, а часть его отражается вверх. Рассеяние от взвешенных частиц обычно дает белый цвет, как и в случае со снегом, но поскольку свет сначала проходит через многие метры жидкости синего цвета, рассеянный свет кажется синим. В чрезвычайно чистой воде - как это происходит в горных озерах, где рассеяние частицами очень мало - рассеяние на самих молекулах воды также дает синий цвет.
Рассеянное небесное излучение из-за рэлеевского рассеяния в атмосфере вдоль луча зрения придает удаленным объектам голубой оттенок. Чаще всего это наблюдается у далеких гор, но также способствует синеве океана вдалеке.
Цвет ледников
Ледники - это большие массы льда и снега, образующиеся в холодном климате в результате процессов уплотнения выпавшего снега. В то время как снежные ледники кажутся белыми на расстоянии, вблизи и когда они защищены от прямого окружающего света, ледники обычно кажутся темно-синими из-за большой длины пути внутреннего отраженного света.
Относительно небольшое количество обычного льда кажется белым из-за большого количества пузырьков воздуха, а также из-за того, что небольшое количество воды кажется бесцветным. В ледниках, с другой стороны, давление заставляет пузырьки воздуха, захваченные накопившимся снегом, выдавливаться, увеличивая плотность созданного льда. Большое количество воды кажется синим, поэтому большой кусок спрессованного льда или ледник также будет синим.
Цвет образцов воды
Растворенный и твердый материал в воде может вызвать обесцвечивание. Незначительное обесцвечивание измеряется в единицах Хазена (HU). Примеси также могут быть сильно окрашенными, например, растворенные органические соединения, называемые танинами, могут иметь темно-коричневый цвет, или водоросли, плавающие в воде (частицы), могут придавать зеленый цвет.
Цвет пробы воды можно записать как:
- Кажущийся цвет - это цвет водоема, отражающегося от поверхности воды, и состоит из цвета как растворенных, так и взвешенных компонентов. Видимый цвет также может быть изменен из-за изменения цвета неба или отражения ближайшей растительности .
- Истинный цвет измеряется после сбора и очистки образца воды ( центрифугированием или фильтрацией ). Чистая вода имеет тенденцию выглядеть синей по цвету, и образец можно сравнить с чистой водой с заранее определенным цветовым стандартом или сравнить результаты спектрофотометра .
Определение цвета может быть быстрым и легким тестом, который часто отражает количество органического материала в воде, хотя определенные 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 вымывание меди из медных водопроводов, а также может указывать на рост водорослей. Синий также может указывать на медь или может быть вызван сифонированием промышленных чистящих средств в резервуаре для туалетов, обычно известным как обратный поток. Красный цвет может быть признаком ржавчины от железных труб или переносимых по воздуху бактерий из озер и т. Д. Черная вода может указывать на рост серосодержащих бактерий внутри резервуара для горячей воды, установленного на слишком низкую температуру. Обычно это имеет сильный запах серы или тухлого яйца (H 2 S), и его легко исправить, сливая воду из водонагревателя и повышая температуру до 49 ° C (120 ° F) или выше. Запах всегда будет в трубах с горячей водой, если причиной являются сульфатредуцирующие бактерии, и никогда в водопроводе с холодной водой. Изучение цветового спектра индикации примесей воды может облегчить выявление и решение косметических, бактериологических и химических проблем.
Качество и цвет воды
Наличие цвета в воде не обязательно означает, что вода непригодна для питья . Вещества, вызывающие окраску, такие как дубильные вещества, в больших концентрациях могут быть токсичными для животных.
Цвет не удаляется обычными фильтрами для воды ; однако использование коагулянтов может привести к улавливанию соединений, вызывающих окраску, в образующемся осадке . На видимый цвет могут влиять и другие факторы:
- Частицы и растворенные вещества могут поглощать свет, как чай или кофе. Зеленые водоросли в реках и ручьях часто придают сине-зеленый цвет. В Красном море время от времени цветут красные водоросли Trichodesmium erythraeum .
- Частицы в воде могут рассеивать свет. Река Колорадо часто бывает мутно-красной из-за взвешенного в воде красноватого ила. Некоторые горные озера и ручьи с мелкоизмельченными камнями, такими как ледяная мука , имеют бирюзовый цвет. Рассеяние света взвешенными веществами необходимо для того, чтобы синий свет, создаваемый поглощением воды, мог вернуться на поверхность и наблюдаться. Такое рассеяние может также сместить спектр возникающих фотонов в сторону зеленого цвета, который часто наблюдается при наблюдении за водой, содержащей взвешенные частицы.
Названия цветов
В разных культурах семантическое поле цветов разделяется иначе, чем в английском языке, а некоторые не различают синий и зеленый одинаковым образом. Примером может служить валлийский, где glas может означать синий или зеленый, или вьетнамский, где xanh также может означать и то, и другое.
Другие названия цветов, присвоенные водоемам, - это морской зеленый и синий ультрамарин . Необычные окраски океана дали начало названиям « красный прилив» и « черный прилив» .
Древнегреческий поэт Гомер употребляет эпитет «вино-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 считают, что Гомер был дальтоником.
использованная литература
дальнейшее чтение
- Дики, Томми Д .; Каттавар, Джордж В .; Восс, Кеннет Дж. (Апрель 2011 г.), «Проливая новый свет на свет в океане» (PDF) , Physics Today , 64 (4): 44–49, Bibcode : 2011PhT .... 64d..44D , doi : 10.1063 / 1.3580492 , архивировано из оригинального (PDF) 25 апреля 2012 г.
- Петтит, Эдисон (февраль 1936 г.), «О цвете воды кратерного озера», Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки , 22 (2): 139–146, Bibcode : 1936PNAS ... 22 .. 139P , DOI : 10.1073 / pnas.22.2.139 , PMC 1076722 , PMID 16588059