Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для книги Космаса Лукаса см . Цвет воды .
стакан прозрачной воды на деревянном столе
Когда вода в небольших количествах (например , в стакане) оказывается бесцветным к человеческому глазу .

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 синим по мере увеличения толщины наблюдаемого образца. Синий 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 [ править ]

Крытый бассейн выглядит синим сверху, так как свет, отражающийся от дна бассейна, проходит через воду, достаточную для поглощения его красного компонента. Та же самая вода в меньшем ведре выглядит только слегка синей [1], а наблюдение за водой с близкого расстояния делает ее бесцветной для человеческого глаза.

Свойственный 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 . [2] [3]

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 ответственны 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 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. [4] Кривая поглощения тяжелой воды (D 2O) имеет аналогичную форму, но смещен дальше в сторону инфракрасного конца спектра, поскольку колебательные переходы имеют меньшую энергию. По этой причине тяжелая вода не поглощает красный свет, и поэтому большие массы D 2 O не будут иметь характерного синего цвета, характерного для более часто встречающейся легкой воды ( 1 H 2 O). [5]

Интенсивность поглощения заметно уменьшается 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 [ править ]

Большие водоемы, такие как океаны, проявляют свойственный воде синий цвет.
Основная статья: Цвет океана

Озера и океаны кажутся синими по нескольким причинам. Во-первых, поверхность воды отражает цвет неба . Хотя это отражение способствует наблюдаемому цвету, это не единственная причина. [6] Вода в плавательных бассейнах с выкрашенными в белый цвет сторонами и дном будет бирюзово-голубой, даже в закрытых бассейнах, где нет голубого неба, которое могло бы отражаться. Чем глубже бассейн, тем вода голубее. [7]

Часть света, падающего на поверхность океана, отражается, но большая часть света проникает через поверхность воды, взаимодействуя с ее молекулами. Молекула воды может колебаться в трех разных режимах при облучении светом. Красный, оранжевый, желтый и зеленый световые волны поглощаются, поэтому оставшийся видимый свет состоит из более коротких длин волн синего и фиолетового. Это основная причина синего цвета океана . Относительный вклад отраженного света в крыше и света, рассеянного обратно с глубины, сильно зависит от угла наблюдения. [8]

Рассеяние взвешенных частиц также играет важную роль в цвете озер и океанов, заставляя воду выглядеть более зеленой или голубой в разных областях. Несколько десятков метров воды поглотят весь свет, поэтому без рассеяния все водоемы будут казаться черными. Потому что большинство озер и океанов содержат взвешенные живые вещества и минеральные частицы, известные как окрашенные растворенные органические вещества.(CDOM), свет сверху 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 исключительно чистой воде - как это происходит в горных озерах, где отсутствует рассеяние на частицах белого цвета - рассеяние на самих молекулах воды также дает синий цвет. [ необходима цитата ]

Оттенок отраженного неба также влияет на воспринимаемый цвет воды.

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 голубизне океана вдалеке.

Цвет ледников [ править ]

Основная статья: Голубой лед (ледниковый)

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 издалека, вблизи и когда они защищены от прямого внешнего света, ледники обычно кажутся темно-синими из-за большой длины пути внутреннего отраженного света. [ необходима цитата ]

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 скопившимся снегом, выдавливаться, увеличивая плотность созданного льда. Большое количество воды кажется синим, поэтому большой кусок спрессованного льда или ледник также будет синим.

Цвет образцов воды [ править ]

Высокая концентрация растворенной извести придает воде водопада Хавасу бирюзовый цвет.

Растворенные в воде частицы и частицы могут вызвать обесцвечивание. Незначительное изменение цвета измеряется в единицах Хазена (HU). [9] 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 указать как:

  • Кажущийся цвет - это цвет водоема, отражающегося от поверхности воды, и состоит из цвета как растворенных, так и взвешенных компонентов. Кажущийся цвет также может быть изменен из-за изменений 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 . [10]

Проверка 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.[ необходима цитата ] Изучение цветового спектра индикации примесей воды может облегчить идентификацию и решение косметических, бактериологических и химических проблем.

Качество и цвет воды [ править ]

Из-за ледяной каменной муки озеро Пукаки в Новой Зеландии имеет более светлый бирюзовый цвет, чем его соседи.

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. [11]

Цвет не удаляется обычными фильтрами для воды ; однако использование коагулянтов может привести к улавливанию соединений, вызывающих окраску, в образующемся осадке . [ необходима цитата ] На видимый цвет могут влиять 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 . [ необходима цитата ]
  • 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 мелко измельченными 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 выходящих фотонов в сторону зеленого цвета, который часто наблюдается при наблюдении за водой, содержащей взвешенные частицы. [ необходима цитата ]

Названия цветов [ править ]

Красный прилив у побережья Калифорнии

В разных культурах семантическое поле цветов делится 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 основном по яркости, а не по оттенку, в то время как другие считают, что Гомер был дальтоником. [ необходима цитата ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дэвис, Джим; Миллиган, Марк (2011), Почему вода иногда бывает желтой? , Серия общественной информации, 96 , Геологическая служба Юты , стр. 10, ISBN 978-1-55791-842-0, заархивировано из оригинала 23 января 2012 г. , извлечено 5 октября 2011 г.
  2. ^ Карлин, Моника (2021), Почему вода голубая?
  3. ^ Папа; Фрай (1996). «Спектр поглощения (380-700 нм) чистой воды. II. Измерения интегрированной полости» . Прикладная оптика . 36 (33): 8710–23. Bibcode : 1997ApOpt..36.8710P . DOI : 10,1364 / ao.36.008710 . PMID 18264420 . 
  4. ^ Браун, Чарльз L .; Смирнов, Сергей Н. (1993), "Почему вода голубая?" (PDF) , Журнал химического образования , 70 (8): 612-614, Bibcode : 1993JChEd..70..612B , DOI : 10.1021 / ed070p612
  5. ^ WebExhibits. «Цвета от вибрации» . Причины цвета . WebExhibits . Архивировано 23 февраля 2017 года . Проверено 21 октября 2017 . Тяжелая вода бесцветна, потому что все соответствующие ей колебательные переходы смещены в сторону более низкой энергии (более высокой длины волны) за счет увеличения массы изотопа.
  6. ↑ Браун и Смирнов 1993 , стр. 612: «... любой простой ответ обязательно введет в заблуждение. Оказывается, вклад в наблюдаемый цвет вносят как отраженный свет в крыше, так и собственное поглощение».
  7. ^ Россинг, Томас Д .; Чиаверина, Кристофер Дж. (1999). Световедение: физика и изобразительное искусство . Springer Science + Business Media . С. 6–7. ISBN 978-0-387-98827-6.
  8. ↑ Браун и Смирнов 1993 , стр. 613: «... относительный вклад отраженного света в крыше и света, рассеянного обратно из глубины, сильно зависит от угла наблюдения».
  9. ^ Международная организация по стандартизации, ISO 2211: 1973, Измерение цвета в единицах Хазена (платино-кобальтовая шкала) жидких химических продуктов
  10. Перейти ↑ Wetzel, RG (2001). Лимнология, 3-е издание . Нью-Йорк: Academic Press .
  11. ^ Каннас, Антонелло. «Танины: удивительные, но иногда опасные молекулы» . Факультет зоотехники Корнельского университета . Корнельский университет . Проверено 25 сентября 2020 года .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дики, Томми Д .; Каттавар, Джордж В .; Восс, Кеннет Дж. (Апрель 2011 г.), «Проливая свет в океане в новом свете» (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

Внешние ссылки [ править ]

  • Акварель, Школа водных наук Геологической службы США
  • Какого цвета вода?
  • Вода голубая? Спектр поглощения воды в видимом диапазоне
  • Вода чистая?