Цвет воды
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 придавать воде другой цвет.
Внутренний цвет
[ редактировать ]
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 . О–Н Два валентных колебания связей 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 к инфракрасному концу спектра, поскольку колебательные переходы имеют меньшую энергию. По этой причине тяжелая вода не поглощает красный свет, и, таким образом, крупные тела D 2 O не будут иметь характерного голубого цвета, характерного для более часто встречающейся легкой воды ( 1 Н 2 О). [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
[ редактировать ]
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 окрашенными в белый цвет стенками и дном будет казаться голубоватой 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 длин 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]
Рассеяние взвешенных частиц также играет важную роль в цвете озер и океанов, из-за чего вода в разных местах выглядит то зеленее, то голубее. Вода в несколько десятков метров поглотит 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 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 ссылка ]
Цвет ледников
[ редактировать ]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 ссылка ]
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
[ редактировать ]
Растворенные в воде частицы и частицы могут сделать ее более зеленой, коричневой, коричневой или красной. Например, растворенные органические соединения , называемые дубильными веществами, могут придавать темно-коричневый цвет, а водоросли (частицы) могут придавать зеленый цвет. плавающие в воде [11] Цветовые вариации можно измерить по стандартной цветовой шкале. Двумя примерами стандартных цветовых шкал для природных водоемов являются шкала Фореля-Уле и платиново-кобальтовая шкала . Например, незначительное изменение цвета измеряется по платиново-кобальтовой шкале в единицах Хазена (HU). [12]
Цвет пробы воды можно определить следующим образом:
- Видимый цвет — это цвет водоема, отражающегося от поверхности воды, и состоит из цвета как растворенных , так и взвешенных компонентов. Видимый цвет также может меняться из-за изменений цвета неба или отражения близлежащей растительности .
- Истинный цвет пробы воды измеряется после сбора и очистки (центрифугированием или фильтрацией ) . Чистая вода имеет тенденцию выглядеть голубым , и образец можно сравнить с чистой водой с заранее установленным стандартом цвета или сравнить результаты спектрофотометра . [13]
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 он 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. Известно, что сульфатредуцирующие бактерии не вызывают проблем 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
[ редактировать ]
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 ссылка ] На видимый цвет могут повлиять и другие факторы:
- Частицы и растворенные вещества могут поглощать свет, как в чае или кофе. Зеленые водоросли в реках и ручьях часто придают сине-зеленый цвет. В Красном море время от времени цветет красная водоросль Trichodesmium erythraeum . [ нужна ссылка ]
- Частицы в воде могут рассеивать свет. Река Колорадо часто бывает мутно-красной из-за взвешенного в воде красноватого ила — отсюда и название реки, от испанского «colorado» — « цветной, красный » . Некоторые горные озера и ручьи с мелкоизмельченной породой, например ледниковой мукой , 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 вылетающих фотонов в сторону зеленого цвета — цвета, который часто можно увидеть, когда наблюдается вода, насыщенная взвешенными частицами. [ нужна ссылка ]
Названия цветов
[ редактировать ]
Различные культуры разделяют семантическое поле цветов по-разному, чем в английском языке, а некоторые не различают синий и зеленый цвет 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 ссылка ]
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.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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.
- ^ Папа Римский; 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 . S2CID 11061625 .
- ^ 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
- ^ 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.
- ^ 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».
- ^ «Распространенные заблуждения об океанах — Полярных океанах — помимо пингвинов и белых медведей» . 18 июля 2011 года . Проверено 5 июля 2022 г.
- ^ 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 .
- ^ Браун и Смирнов 1993 , с. 613: «...относительный вклад отраженного света неба и света, рассеянного обратно из глубины, сильно зависит от угла наблюдения».
- ^ Поуп, Робин М.; Фрай, Эдвард С. (20 ноября 1997 г.). «Спектр поглощения (380–700 нм) чистой воды. II. Измерения интегрирующей полости». Прикладная оптика . 36 (33). Оптическое общество: 8710–8723. Бибкод : 1997ApOpt..36.8710P . дои : 10.1364/ao.36.008710 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 18264420 . S2CID 11061625 .
- ^ Морель, Анклер; Приер, Луи (1977). «Анализ изменений цвета океана1» . Лимнология и океанография . 22 (4). Уайли: 709–722. Бибкод : 1977LimOc..22..709M . дои : 10.4319/lo.1977.22.4.0709 . ISSN 0024-3590 .
- ^ 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 . 51 (6). Уайли: 2646–2659. Бибкод : 2006LimOc..51.2646D . дои : 10.4319/lo.2006.51.6.2646 . ISSN 0024-3590 . S2CID 6951672 .
- ^ Международная организация по стандартизации, ISO 2211:1973, Измерение цвета в единицах Хазена (платиново-кобальтовая шкала) жидких химических продуктов.
- ^ Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология (3-е изд.). Нью-Йорк: Академическая пресса .
- ^ Каннас, Антонелло. «Танины: увлекательные, но иногда опасные молекулы» . Факультет зоотехники Корнеллского университета . Корнеллский университет . Проверено 25 сентября 2020 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- 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 , заархивировано из оригинала (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, Бибкод : 1936PNAS...22.. 139P , doi : 10.1073/pnas.22.2.139 , PMC 1076722 , PMID 16588059
Внешние ссылки
[ редактировать ]
Цветовые темы |
|---|
