Farbe von Wasser
Die Farbe von Wasser variiert mit den Umgebungsbedingungen, in denen das Wasser vorhanden ist. Während relativ kleine Mengen von Wasser farblos erscheinen, hat reines Wasser eine leichte blaue Farbe, die mit zunehmender Dicke der beobachteten Probe zu einem tieferen Blau wird. Der blaue Farbton des Wassers ist eine intrinsische Eigenschaft und wird durch selektive Absorption und Streuung von weißem Licht verursacht. Gelöste Elemente oder suspendierte Verunreinigungen können Wasser eine andere Farbe geben.
Eigenfarbe
Die Eigenfarbe von flüssigem Wasser kann demonstriert werden, indem eine weiße Lichtquelle durch ein langes Rohr betrachtet wird, das mit gereinigtem Wasser gefüllt und an beiden Enden mit einem transparenten Fenster verschlossen ist. Die hell türkisblaue Farbe wird durch schwache Absorption im roten Teil des sichtbaren Spektrums verursacht.
Absorptionen im sichtbaren Spektrum werden üblicherweise auf Anregungen elektrischer Energiezustände in Materie zurückgeführt. Wasser ist ein einfaches dreiatomiges Molekül, H 2 O , und alle seine elektronischen Absorptionen treten im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums auf und sind daher nicht für die Farbe von Wasser im sichtbaren Bereich des Spektrums verantwortlich. Das Wassermolekül hat drei fundamentale Schwingungsmoden. Zwei Streckschwingungen der OH-Bindungen im gasförmigen Zustand von Wasser treten bei v 1 = 3650 cm -1 und v 3 = 3755 cm -1 auf . Die Absorption aufgrund dieser Vibrationen tritt im Infrarotbereich des Spektrums auf. Die Absorption im sichtbaren Spektrum beruht hauptsächlich auf der Harmonischen v 1 + 3v 3 = 14,318 cm -1 , was einer Wellenlänge von 698 nm entspricht. Im flüssigen Zustand bei 20 ° C sind diese Schwingungen aufgrund der Wasserstoffbindung rotverschoben, was zu einer roten Absorption bei 740 nm führt, andere Oberschwingungen wie v 1 + v 2 + 3 v 3 ergeben eine rote Absorption bei 660 nm. Die Absorptionskurve für schweres Wasser (D2 O) hat eine ähnliche Form, ist jedoch weiter zum infraroten Ende des Spektrums verschoben, da die Schwingungsübergänge eine niedrigere Energie haben. Aus diesem Grund absorbiert schweres Wasser kein rotes Licht, und daher würde großen Körpern von (D 2 O) die charakteristische blaue Farbe des häufiger vorkommenden leichten Wassers ( 1 H 2 O) fehlen .
Die Absorptionsintensität nimmt mit jedem nachfolgenden Oberton merklich ab, was zu einer sehr schwachen Absorption für den dritten Oberton führt. Aus diesem Grund muss das Rohr eine Länge von einem Meter oder mehr haben und das Wasser muss durch Mikrofiltration gereinigt werden, um jegliche Partikel zu entfernen, die Mie-Streuung erzeugen könnten.
Farbe der Seen und Ozeane
Seen und Ozeane erscheinen aus verschiedenen Gründen blau. Einer besteht darin, dass die Wasseroberfläche die Farbe des Himmels widerspiegelt. Während diese Reflexion zur beobachteten Farbe beiträgt, ist dies nicht der einzige Grund.
Ein Teil des Lichts, das auf die Oberfläche des Ozeans trifft, wird direkt zurückreflektiert, aber das meiste davon dringt in die Wasseroberfläche ein und interagiert mit seinen Molekülen. Das Wassermolekül kann in drei verschiedenen Modi vibrieren, wenn Licht darauf trifft. Die roten, orange, gelben und grünen Wellenlängen des Lichts werden absorbiert, so dass das verbleibende Licht aus den Blau- und Violettwellen mit kürzerer Wellenlänge besteht. Dies ist der Hauptgrund, warum die Farbe des Ozeans blau ist.
Einige Bestandteile des Meerwassers können den Blauschatten des Ozeans beeinflussen. Aus diesem Grund kann es in verschiedenen Bereichen grüner oder blauer aussehen. Wasser in Schwimmbädern (die auch verschiedene Chemikalien enthalten können) mit weiß lackierten Seiten und Boden erscheint in türkisblau.
Sauberes Wasser erscheint in weiß gefliesten Schwimmbädern ebenso wie in Hallenbädern, in denen kein blauer Himmel reflektiert wird. Je tiefer der Pool, desto blauer das Wasser.
Streuung von Schwebeteilchen spielt auch eine wichtige Rolle in der Farbe von Seen und Ozeanen. Ein paar Dutzend Meter Wasser werden alles Licht absorbieren, also ohne zu streuen, würden alle Gewässer schwarz erscheinen. Da die meisten Seen und Ozeane schwebende lebende Materie und mineralische Partikel enthalten, die als farbige gelöste organische Substanz (CDOM) bekannt sind, wird das Licht von oben nach oben reflektiert. Das Streuen von suspendierten Teilchen würde normalerweise eine weiße Farbe ergeben, wie beim Schnee, aber weil das Licht zuerst viele Meter blau gefärbter Flüssigkeit durchläuft, erscheint das gestreute Licht blau. In extrem reinem Wasser – wie es in Bergseen der Fall ist, wo die Streuung von weiß gefärbten Partikeln fehlt – trägt die Streuung von Wassermolekülen selbst ebenfalls zu einer blauen Farbe bei.
Ein anderes Phänomen, das auftritt, ist die Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre entlang der Sichtlinie: Der Horizont ist typischerweise 4-5 km entfernt und die Luft (die im Fall des Ozeans knapp über dem Meeresspiegel liegt) ist am dichtesten. Dieser Mechanismus würde jedem entfernten Objekt (nicht nur dem Meer) einen blauen Farbton hinzufügen, weil blaues Licht in die Sichtlinie gestreut würde.
Die Oberflächen von Meeren und Seen reflektieren oft blaues Oberlicht, wodurch sie blauer erscheinen. Der relative Beitrag des reflektierten Oberlichts und des aus den Tiefen zurückgestreuten Lichts hängt stark vom Beobachtungswinkel ab.
Farbe der Gletscher
Gletscher sind große Eis- und Schneekörper, die in sehr kalten Klimaten durch Verdichtung von gefallenem Schnee gebildet werden. Während verschneite Gletscher aus der Ferne weiß erscheinen, sind Gletscher in der Nähe von direktem Umgebungslicht aufgrund der langen Weglängen des internen reflektierten Lichts meist tiefblau.
Relativ kleine Mengen von normalem Eis erscheinen weiß, weil viele Luftblasen vorhanden sind, und auch weil kleine Mengen von Wasser als farblos erscheinen. Bei Gletschern hingegen führt der Druck dazu, dass die im angesammelten Schnee eingeschlossenen Luftblasen herausgedrückt werden und die Dichte des erzeugten Eises steigt. Da große Wassermengen blau erscheinen, erscheint ein großes Stück verdichtetes Eis oder ein Gletscher blau.
Farbe von Wasserproben
Gelöstes und partikuläres Material in Wasser kann Verfärbung verursachen. Geringe Verfärbung wird in Hazen-Einheiten (HU) gemessen. Verunreinigungen können ebenfalls tief gefärbt sein, zum Beispiel können gelöste organische Verbindungen, die Tannine genannt werden, zu dunkelbraunen Farben führen, oder im Wasser schwimmende Algen (Partikel) können eine grüne Farbe verleihen.
Die Farbe einer Wasserprobe kann gemeldet werden als:
Scheinbare Farbe ist die Farbe der gesamten Wasserprobe und besteht aus Farbe von sowohl gelösten als auch suspendierten Komponenten.
Die wahre Farbe wird gemessen, nachdem die Wasserprobe gefiltert wurde, um alles suspendierte Material zu entfernen.
Das Testen auf Farbe kann ein schneller und einfacher Test sein, der oft die Menge an organischem Material in dem Wasser widerspiegelt, obwohl bestimmte anorganische Komponenten, wie Eisen oder Mangan, ebenfalls Farbe verleihen können.
Die Wasserfarbe kann physikalische, chemische und bakteriologische Bedingungen offenbaren. In Trinkwasser kann Grün auf Kupferlaugung aus Kupferleitungen hinweisen und kann auch Algenwachstum darstellen. Blau kann auch auf Kupfer hinweisen, oder kann durch das Ansaugen von Industriereinigern in den Tank von Kommoden verursacht werden, was allgemein als Rückfließen bekannt ist. Rötungen können Rostspuren von Eisenrohren oder Luftbakterien von Seen usw. sein. Schwarzwasser kann auf das Wachstum von Schwefel reduzierenden Bakterien in einem auf zu niedrige Temperatur eingestellten Heißwassertank hinweisen. Dies hat normalerweise einen starken Geruch nach Schwefel oder verfaultem Ei (H2S) und kann leicht durch Ablassen des Wassererhitzers und Erhöhen der Temperatur auf 49 ° C (120 ° F) oder höher korrigiert werden. Der Geruch wird immer in den Warmwasserleitungen sein, wenn sulfatreduzierende Bakterien die Ursache sind und niemals in den Kaltwasserleitungen. Das Farbspektrum mit Wasserindikatoren [Klärung erforderlich] ist breit und kann, falls erlernt wird, die Identifizierung und Lösung kosmetischer, bakteriologischer und chemischer Probleme erleichtern.
Wasserqualität und Farbe
Das Vorhandensein von Farbe in Wasser deutet nicht unbedingt darauf hin, dass das Wasser nicht trinkbar ist. Farbverursachende Substanzen wie Tannine können harmlos sein.
Die Farbe wird nicht durch typische Wasserfilter entfernt; langsame Sandfilter können jedoch die Farbe entfernen, und die Verwendung von Koagulationsmitteln kann auch dazu führen, dass die farbverursachenden Verbindungen in dem resultierenden Niederschlag eingefangen werden.
Andere Faktoren können die Farbe beeinflussen:
Partikel und gelöste Stoffe können Licht absorbieren, wie in Tee oder Kaffee. Grüne Algen in Flüssen und Bächen verleihen oft eine blaugrüne Farbe. Das Rote Meer hat gelegentlich rote Trichodesmium Erythraeum-Algen.
Partikel im Wasser können Licht streuen. Der Colorado River ist oft schlammig rot wegen des schwebenden rötlichen Schlamms im Wasser. Einige Bergseen und Bäche mit feinem Gestein, wie Gletschermehl, sind türkis. Lichtstreuung durch Schwebstoffe ist erforderlich, damit das durch Absorption von Wasser erzeugte blaue Licht zur Oberfläche zurückkehren und beobachtet werden kann. Solch eine Streuung kann auch das Spektrum der austretenden Photonen in Richtung Grün verschieben, eine Farbe, die oft beobachtet wird, wenn mit suspendierten Teilchen beladenes Wasser beobachtet wird.
Farbnamen
Rote Flut vor der kalifornischen Küste.
Verschiedene Kulturen teilen das semantische Feld der Farben anders als der englische Sprachgebrauch und einige unterscheiden nicht in gleicher Weise zwischen Blau und Grün. Ein Beispiel ist Walisisch, wo Glas blau oder grün bedeuten kann.
Andere Farbnamen, die Wasserkörpern zugeordnet sind, sind Meeresgrün und Ultramarinblau. Ungewöhnliche ozeanische Färbungen haben die Begriffe rote Flut und schwarze Flut verursacht.
Der altgriechische Dichter Homer verwendet den Beinamen „Wein-dunkles Meer“; Außerdem beschreibt er das Meer auch als „grau“. Einige haben darauf hingewiesen, dass dies auf die alten Griechen zurückzuführen ist, die Farben hauptsächlich durch Helligkeit anstatt Farbton klassifizieren, während andere glauben, dass Homer farbenblind war.