Цвет воды - Color of water

Книгу Космаса Лукаса см. Цвет воды.
стакан прозрачной воды на деревянном столе
Когда вода находится в небольших количествах (например, в стакане), она кажется бесцветный к человеческий глаз.

В цвет воды изменяется в зависимости от условий окружающей среды, в которых присутствует эта вода. Хотя относительно небольшие количества воды оказаться бесцветный, чистая вода имеет небольшой синий цвет который становится более глубоким синим по мере увеличения толщины наблюдаемого образца. Голубой оттенок воды - это внутреннее свойство, вызванное избирательным поглощение и рассеяние белого света. Растворенный элементы или взвешенные примеси могут придать воде другой цвет.

Внутренний цвет

Крытый бассейн выглядит синим сверху, так как свет, отражающийся от дна бассейна, проходит через воду, достаточную для поглощения его красного компонента. Та же 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. Свет бирюзовый синий цвет вызван слабым поглощение в красной части видимый спектр.[2][3]

Поглощения в видимой области спектра обычно связывают с возбуждением электронный энергетические состояния в веществе. Вода - это простая трехатомная молекула, H2O, и все его электронные поглощения происходят в ультрафиолетовый регион электромагнитный спектр и поэтому не несут ответственности за цвет воды в видимой области спектра. Молекула воды имеет три основных режима вибрация. Два валентных колебания O-H облигации в газообразном состоянии воды происходят при v1 = 3650 см−1 и v3 = 3755 см−1. Поглощение из-за этих колебаний происходит в инфракрасный область спектра. Поглощение в видимой области спектра в основном связано с гармонический v1 + 3в3 = 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 красному поглощению на длине волны 740 нм, другим гармоникам, таким как v1 + v2 + 3в3 дает красное поглощение при 660 нм.[2] Кривая поглощения тяжелой воды (D2O) 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 тела D2O не хватало бы характерного синего цвета более часто встречающейся легкой воды (1ЧАС2О).[4]

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 вода должна очищаться микрофильтрация удалить любые частицы, которые могут производить Рассеяние Ми.

Цвет озер и океанов

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.[5] 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.[6]

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 цвет океана синий. Относительный вклад отраженного света в крыше и света, рассеянного обратно с глубины, сильно зависит от угла наблюдения.[7]

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. Поскольку большинство озер и океанов содержат взвешенные живые вещества и минеральные частицы, известные как окрашенное растворенное органическое вещество (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.[нужна цитата ]

Оттенок отраженного неба также влияет на воспринимаемый цвет воды.

Рассеянное излучение неба из-за Рэлеевское рассеяние в атмосфере вдоль луча зрения далеких объектов придает голубой оттенок. Чаще всего это наблюдается у далеких гор, но также способствует голубизне океана вдалеке.

Цвет ледников

Основная статья: Голубой лед (ледниковый)

Ледники большие тела лед и снег сформированный в холодный климат процессами 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.[нужна 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

Высокая концентрация растворенного Лайм дать воду Havasu Falls бирюзовый цвет.

Растворенный и твердый материал в воде может вызвать обесцвечивание. Незначительное изменение цвета измеряется в единицах Хазена (HU).[8] Загрязнения также могут быть сильно окрашенными, например, растворенными органические соединения называется дубильные вещества может привести к темно-коричневым цветам или водоросли плавающие в воде частицы (частицы) могут придавать зеленый цвет.

Цвет пробы воды можно указать как:

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 бактерий, снижающих серу, внутри резервуара для горячей воды, установленного на слишком низкую температуру. Обычно это крепкая сера или тухлое яйцо (H2S) запах и легко устраняется путем слива воды из водонагревателя и повышения температуры 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.[нужна цитата ] Изучение цветового спектра индикации примесей воды может облегчить идентификацию и решение косметических, бактериологических и химических проблем.

Качество и цвет воды

Ледниковый каменная мука делает новозеландский Озеро Пукаки более светлый бирюзовый, чем его соседи.

Наличие цвета в воде не обязательно означает, что вода не питьевой. Цвета вещества, такие как дубильные вещества может быть токсичным для животных в больших концентрациях.[10]


Цвет не удаляется типичным фильтры для воды; однако использование коагулянты может улавливать вызывающие цвет соединения в полученном осадок.[нужна цитата ]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. Красное море время от времени цветет красным Trichodesmium erythraeum водоросли.[нужна 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 мелкозернистой породой, например ледяная мука, бирюзовые. Рассеяние света взвешенными веществами необходимо для того, чтобы синий свет, образующийся в результате поглощения воды, мог вернуться на поверхность и наблюдаться. Такое рассеяние также может сместить спектр выходящих фотонов в сторону зеленого цвета, который часто наблюдается при наблюдении воды, содержащей взвешенные частицы.[нужна цитата ]

Названия цветов

Красный прилив у побережья Калифорнии

Различные культуры разделяют семантическое поле цветов отличается от английского языка, а некоторые не различать синий и зеленый таким же образом. Примером является валлийский, где стекло может означать синий или зеленый, или вьетнамский, где xanh также может означать и то, и другое.

Другие названия цветов, присвоенные водоемам: цвет морской волны и ультрамарин синий. Необычные океанические окраски породили термины Красная волна и черная волна.

Древнегреческий поэт Гомер использует эпитет «вино-темное море»; кроме того, он также описывает море как «серое». Уильям Юарт Гладстон предположил, что это связано с Древние греки классифицируют цвета в первую очередь по яркости, а не по оттенку, в то время как другие считают, что Гомер дальтоник.[нужна цитата ]

Рекомендации

  1. ^ Дэвис, Джим; Миллиган, Марк (2011), Почему вода иногда желтеет?, Серия общественной информации, 96, Геологическая служба Юты, п. 10, ISBN  978-1-55791-842-0, заархивировано из оригинал 23 января 2012 г., получено 5 октября 2011
  2. ^ а б Браун, Чарльз Л .; Смирнов, Сергей Н. (1993), "Почему вода голубая?" (PDF), Журнал химического образования, 70 (8): 612–614, Bibcode:1993JChEd..70..612B, Дои:10.1021 / ed070p612
  3. ^ Папа; Фрай (1996). «Спектр поглощения (380-700 нм) чистой воды. II. Интегрирующие измерения полости». Прикладная оптика. 36 (33): 8710–23. Bibcode:1997ApOpt..36.8710P. Дои:10.1364 / АО.36.008710. PMID  18264420.
  4. ^ WebExhibits. «Цвета от вибрации». Причины цвета. WebExhibits. В архиве из оригинала от 23.02.2017. Получено 2017-10-21. 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.
  5. ^ Браун и Смирнов 1993, п. 612: «... любой простой ответ обязательно введет в заблуждение. Оказывается, вклад в наблюдаемый цвет вносят как отраженный свет в крыше, так и собственное поглощение».
  6. ^ 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.
  7. ^ Браун и Смирнов 1993, п. 613: «... относительный вклад отраженного света в крыше и света, рассеянного обратно из глубины, сильно зависит от угла наблюдения».
  8. ^ Международная организация по стандартизации, ISO 2211: 1973, Измерение цвета жидких химических продуктов в единицах Хазена (платино-кобальтовая шкала)
  9. ^ Ветцель, Р. Г. (2001). Лимнология, 3-е издание. Нью-Йорк: Академическая пресса.
  10. ^ Каннас, Антонелло. «Танины: удивительные, но иногда опасные молекулы». Корнельский университет, факультет зоотехники. Корнелл Университет. Получено 25 сентября 2020.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка