海や湖の青色は空の色の反射に加え、この水の吸収スペクトルに由来する本質的な色に起因する。
概要.
水の色は少規模な実験室スケールにおいて無色透明と表現される。しかしながら水色といえば淡い青色のことを指す。また、澄んだ透明度の高い海水や湖水など厚い層を成す水は、いずれも青色を呈する。さらに氷河など巨大な氷も青色を呈し、白色と表現される雪もよく観察すれば、わずかに青色を呈する。屋内の空の反射の影響が無い白いタイル張りのプールの水も、薄い青色を呈する。また、風呂桶やバケツに入った水も深さによりわずかに青色を帯びることを観察できる。
硫酸銅やメチレンブルーなどを溶解した水は溶質の可視光線の吸収に由来する青色を呈するが、純粋な水も赤色の波長領域に弱い吸収帯が存在する。すなわち、水自身が本質的にわずかな青色に着色している。
青色の原因.
水の色は電子遷移ではなく、分子内の共有結合の伸縮振動、すなわち赤外吸収帯の倍音振動が可視領域に存在することに起因する。
水分子の赤外吸収.
気相および液相中における軽水および重水の基本振動および結合音の振動数は、以下の通りである。
水蒸気の吸収帯と液体の水の吸収帯は若干異なり、液体の水も温度および圧力により吸収帯はやや移行し、この変化は主に水素結合の変化に起因するが、変化は小さく色に与える影響は少ない。
重水の色.
反射と水質.
水面の反射.
海の青色は水の伸縮振動に起因する可視光線の吸収に加え、空の色の反射も関連している。これは空の光の海水面における反射、および海水中に入射した光が微粒子により散乱され、途中で水による吸収を受けた後、空中に脱出した透過光との合成による色が海の青色として出現している。水面における反射率は入射方向が水平に近づくほど高くなり、より空の色が反映される。夕焼けが反射すれば、海面はオレンジ色に染まる。
水中の微粒子による散乱.