لون الماء

يتغير لون الماء باختلاف الظروف المحيطة به. فبينما تبدو كميات قليلة نسبيًا من الماء عديمة اللون وشفافة ، يتميز الماء النقي بلون أزرق خفيف يزداد عمقًا مع ازدياد سمك العينة. ويُعد لون الماء خاصية جوهرية ناتجة عن امتصاص وتشتيت الضوء الأزرق بشكل انتقائي. وقد تُضفي العناصر الذائبة أو الشوائب العالقة لونًا مختلفًا على الماء.

يمكن إثبات اللون الطبيعي للماء السائل من خلال النظر إلى مصدر ضوء أبيض عبر أنبوب طويل مملوء بالماء النقي ومغلق من طرفيه بنافذة شفافة. وينتج اللون الأزرق السماوي الفاتح عن امتصاص ضعيف في الجزء الأحمر من الطيف المرئي . ^{[ 2 ]}

تُعزى الامتصاصات في الطيف المرئي عادةً إلى إثارة مستويات الطاقة الإلكترونية في المادة. الماء جزيء بسيط مكون من ثلاث ذرات ، H₂O _، وتحدث جميع امتصاصاته الإلكترونية في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي ، وبالتالي فهي ليست مسؤولة عن لون الماء في منطقة الطيف المرئي. يمتلك جزيء الماء ثلاثة أنماط اهتزاز أساسية ^. يحدث اهتزازان تمدديان لرابطة O–H في الحالة الغازية للماء عند v₁ = 3650  سم⁻¹ و v₃ = 3755 ^سم⁻¹ . ^يحدث الامتصاص الناتج عن هذين الاهتزازين في منطقة الأشعة تحت الحمراء من الطيف. _أما الامتصاص في الطيف المرئي فيُعزى بشكل رئيسي إلى التوافقي v₁ ₊ 3 v₃ ₌ 14318 سم⁻¹ _، والذي يُعادل طول موجة 698 نانومتر. في الحالة السائلة عند _درجة حرارة 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت)، _تنزاح هذه الاهتزازات نحو الأحمر بفعل الروابط الهيدروجينية، مما يؤدي إلى امتصاص أحمر عند 740 نانومتر، بينما تُعطي التوافقيات الأخرى، مثل v1 + v2 + 3 v3 _، امتصاصًا أحمر عند 660 نانومتر. ^{[ 3 ]} منحنى امتصاص الماء الثقيل (D2O ₎ له شكل مشابه، ولكنه ينزاح أكثر نحو الطرف تحت الأحمر من الطيف، لأن انتقالات الاهتزازات لها طاقة أقل. لهذا السبب، لا يمتص الماء الثقيل الضوء الأحمر، وبالتالي تفتقر كتل D2O الكبيرة _إلى اللون الأزرق السماوي المميز للماء الخفيف ( 1H2O ^{) الأكثر} _شيوعًا . ^{[ 4 ]}            

تتناقص شدة الامتصاص بشكل ملحوظ مع كل نغمة لاحقة، مما يؤدي إلى امتصاص ضعيف للغاية للنغمة الثالثة. لهذا السبب، يجب أن يكون طول الأنبوب مترًا واحدًا أو أكثر، ويجب تنقية الماء بالترشيح الدقيق لإزالة أي جزيئات قد تُسبب تشتت مي .

تظهر البحيرات والمحيطات باللون السماوي لعدة أسباب. أحدها أن سطح الماء يعكس لون السماء ، الذي يتراوح بين السماوي والأزرق الفاتح . من الشائع الاعتقاد خطأً أن هذا الانعكاس هو السبب الوحيد لظهور المسطحات المائية باللون السماوي، مع أنه قد يُسهم في ذلك. عادةً ما يجعل هذا الانعكاس المسطح المائي يبدو أقرب إلى درجة من درجات الأزرق السماوي منه إلى السماوي، وذلك بحسب سطوع السماء. ^{[ 5 ] [ 6 ]} يظهر الماء في أحواض السباحة ذات الجوانب والقاع المطلية باللون الأبيض باللون السماوي، حتى في الأحواض الداخلية حيث لا يوجد سماء لينعكس عليها اللون. كلما زاد عمق الحوض، ازداد اللون السماوي كثافةً. ^{[ 7 ]}

ينعكس جزء من الضوء الساقط على سطح المحيط، بينما يخترق معظمه سطح الماء، متفاعلاً مع جزيئات الماء والمواد الأخرى الموجودة فيه. تهتز جزيئات الماء بثلاثة أنماط مختلفة عند تفاعلها مع الضوء. تُمتص أطوال موجات الضوء الأحمر والبرتقالي والأصفر، لذا يتكون الضوء المتبقي المرئي من أطوال موجات الأخضر والسماوي والأزرق. وهذا هو السبب الرئيسي للون المحيط السماوي. وتعتمد النسبة بين مساهمة ضوء السماء المنعكس والضوء المتناثر من الأعماق اعتمادًا كبيرًا على زاوية الرصد. ^{[ 8 ]}

يلعب تشتت الضوء الناتج عن الجسيمات العالقة دورًا هامًا في لون البحيرات والمحيطات، مما يجعل الماء يبدو أكثر خضرة أو زرقة في مناطق مختلفة. تمتص طبقة من الماء بعمق بضعة عشرات من الأمتار كل الضوء، لذا لولا التشتت، لظهرت جميع المسطحات المائية سوداء. ولأن معظم البحيرات والمحيطات تحتوي على مواد حية وجزيئات معدنية عالقة، يتشتت الضوء القادم من الأعلى وينعكس جزء منه إلى الأعلى. عادةً ما يُعطي تشتت الضوء الناتج عن الجسيمات العالقة لونًا أبيض، كما هو الحال مع الثلج، ولكن لأن الضوء يمر أولًا عبر عدة أمتار من سائل ذي لون سماوي، يظهر الضوء المتشتت باللون السماوي. في الماء شديد النقاء - كما هو الحال في بحيرات الجبال، حيث يكون تشتت الضوء الناتج عن الجسيمات منخفضًا جدًا - يُساهم تشتت الضوء الناتج عن جزيئات الماء نفسها أيضًا في إضفاء اللون السماوي. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

يُضفي الإشعاع السماوي المنتشر الناتج عن تشتت رايلي في الغلاف الجوي على طول خط الرؤية لونًا سماويًا أو أزرق فاتحًا على الأجسام البعيدة . ويُلاحظ هذا بشكل خاص مع الجبال البعيدة، ولكنه يُسهم أيضًا في إضفاء اللون السماوي على المحيط في الأفق.

• 
  تظهر المسطحات المائية الكبيرة مثل المحيطات اللون الأزرق الطبيعي للماء.
• 
  من الفضاء، تبدو المحيطات بلون أزرق عميق وغني للغاية. هذه صورة التقطتها أجهزة MODIS لخليج المكسيك .
• 
  يساهم لون السماء المنعكسة في اللون الأزرق السماوي المتصور للماء، لكن معظم اللون السماوي يأتي من اللون الجوهري للماء الذي تشتت مرة أخرى إلى السطح بواسطة جزيئات صغيرة معلقة.

الأنهار الجليدية عبارة عن كتل ضخمة من الجليد والثلج تتشكل في المناخات الباردة بفعل عمليات تتضمن انضغاط الثلج المتساقط. ورغم أن الأنهار الجليدية المغطاة بالثلوج تبدو بيضاء من بعيد، إلا أن مسارات الضوء المنعكس الداخلية الطويلة تجعلها تبدو زرقاء داكنة عند رؤيتها عن قرب وعندما تكون محجوبة عن الضوء المحيط المباشر.

تظهر كميات صغيرة نسبيًا من الجليد العادي باللون الأبيض لوجود فقاعات هواء كثيرة، ولأن كميات قليلة من الماء تبدو عديمة اللون. أما في الأنهار الجليدية، فيؤدي الضغط إلى طرد فقاعات الهواء المحتبسة في الثلج المتراكم، مما يزيد من كثافة الجليد المتكون. تظهر كميات كبيرة من الماء باللون السماوي، وبالتالي فإن قطعة كبيرة من الجليد المضغوط، أو نهر جليدي، ستظهر أيضًا باللون السماوي.

يمكن أن تتسبب المواد الذائبة والجسيمية في الماء في ظهوره بلون أخضر أو ​​أسمر أو بني أو أحمر. على سبيل المثال، يمكن أن تؤدي المركبات العضوية الذائبة المعروفة باسم التانينات إلى ظهور ألوان بنية داكنة، أو يمكن أن تضفي الطحالب العائمة في الماء (الجسيمات) لونًا أخضر. ^{[ 11 ]} يمكن قياس تغيرات اللون بالرجوع إلى مقياس ألوان معياري. ومن الأمثلة على مقاييس الألوان المعيارية للمسطحات المائية الطبيعية مقياس فوريل-أول ومقياس البلاتين-كوبالت . على سبيل المثال، يُقاس تغير اللون الطفيف باستخدام مقياس البلاتين-كوبالت بوحدات هازن (HU). ^{[ 12 ]}

يمكن وصف لون عينة الماء على النحو التالي:

• اللون الظاهري هو لون المسطح المائي المنعكس من سطحه، ويتكون من لون المكونات الذائبة والمعلقة . وقد يتغير اللون الظاهري أيضًا بتغيرات لون السماء أو انعكاس النباتات القريبة .
• يُقاس اللون الحقيقي بعد جمع عينة من الماء وتنقيتها ( إما بالطرد المركزي أو الترشيح ). يميل لون الماء النقي إلى أن يكون أزرق سماويًا ، ويمكن مقارنة العينة بالماء النقي باستخدام معيار لوني محدد مسبقًا أو بمقارنة نتائج جهاز قياس الطيف الضوئي . ^{[ 13 ]}

يمكن أن يكون اختبار اللون اختبارًا سريعًا وسهلاً يعكس غالبًا كمية المواد العضوية في الماء، على الرغم من أن بعض المكونات غير العضوية مثل الحديد أو المنغنيز يمكن أن تضفي اللون أيضًا.

يمكن أن يكشف لون الماء عن الظروف الفيزيائية والكيميائية والبكتيرية. ففي مياه الشرب، قد يشير اللون الأخضر إلى تسرب النحاس من أنابيب النحاس، وقد يدل أيضًا على نمو الطحالب. كما قد يشير اللون الأزرق إلى وجود النحاس، أو قد يكون ناتجًا عن ارتداد المنظفات الصناعية من خزانات المراحيض. أما اللون الأحمر فقد يدل على الصدأ من أنابيب الحديد أو البكتيريا المحمولة جوًا من البحيرات، وما إلى ذلك. وقد يشير اللون الأسود إلى نمو البكتيريا المختزلة للكبريت داخل خزان الماء الساخن عند ضبط درجة حرارته على مستوى منخفض جدًا. وعادةً ما تكون لهذه الحالة رائحة كبريت قوية أو رائحة البيض الفاسد (H₂S ₎ ، ويمكن معالجتها بسهولة بتفريغ سخان الماء ورفع درجة الحرارة إلى 49 درجة مئوية (120 درجة فهرنهايت) أو أعلى. ومن غير المعروف أن البكتيريا المختزلة للكبريتات تسبب مشاكل في أنابيب المياه الباردة. إن معرفة طيف ألوان مؤشرات شوائب الماء يُسهّل تحديد وحل المشاكل التجميلية والبكتيرية والكيميائية.  

لا يعني وجود اللون في الماء بالضرورة أنه غير صالح للشرب . فالماء ذو ​​النقاء العالي يكون عادةً بلون أزرق مخضرّ نتيجةً لانخفاض تركيز الجزيئات و/أو المواد الذائبة . ويمكن إزالة المواد الجزيئية المسببة للون بسهولة عن طريق الترشيح. أما المواد الذائبة المسببة للون، مثل التانينات، فلا تكون سامة للحيوانات إلا بتركيزات عالية. ^{[ 14 ]}

لا تزيل مرشحات المياه التقليدية اللون الناتج عن المواد الذائبة ؛ ومع ذلك، قد ينجح استخدام المواد المخثرة في احتجاز المركبات المسببة للون داخل الراسب الناتج . وهناك عوامل أخرى قد تؤثر على اللون المرئي.

• تستطيع الجزيئات والمواد المذابة امتصاص الضوء، كما هو الحال في الشاي أو القهوة. غالباً ما تضفي الطحالب الخضراء في الأنهار والجداول لوناً أزرق مخضراً. ويشهد البحر الأحمر ازدهاراً عرضياً لطحالب تريكودسميوم إريثرايوم الحمراء .
• تستطيع الجسيمات الموجودة في الماء تشتيت الضوء. غالبًا ما يكون نهر كولورادو أحمر اللون بسبب الطمي الأحمر العالق فيه، وهذا ما يُعطيه اسمه، المشتق من الكلمة الإسبانية " colorado " التي تعني " ملون، أحمر " . بعض البحيرات والجداول الجبلية التي تحتوي على صخور مطحونة ناعمًا، مثل الطمي الجليدي ، تكون فيروزية اللون. يُعد تشتيت الضوء بواسطة المواد العالقة ضروريًا لكي يعود الضوء الأزرق الناتج عن امتصاص الماء إلى السطح ويُمكن رصده. كما يُمكن لهذا التشتيت أن يُغيّر طيف الفوتونات المنبعثة نحو اللون الأخضر، وهو لون يُلاحظ غالبًا عند رصد المياه المُحمّلة بالجسيمات العالقة.

تختلف الثقافات في تقسيمها للدلالات اللونية عن اللغة الإنجليزية ، فبعضها لا يُميّز بين الأزرق والأخضر بنفس الطريقة. على سبيل المثال، في اللغة الويلزية ، قد تعني كلمة "glas" الأزرق أو الأخضر، وفي اللغة الفيتنامية، قد تعني كلمة "xanh" أياً منهما. في المقابل، في اللغة الروسية وبعض اللغات الأخرى، لا توجد كلمة واحدة للأزرق، بل كلمتان مختلفتان للأزرق الفاتح ( голубой ، goluboy ) والأزرق الداكن ( синий ، siniy ).

ومن بين الأسماء الأخرى التي تُطلق على المسطحات المائية اللون الأخضر البحري والأزرق الفائق . وقد أدت الألوان غير المألوفة في المحيطات إلى ظهور مصطلحي المد الأحمر والمد الأسود .

استخدم الشاعر اليوناني القديم هوميروس صفة " البحر الداكن كالنبيذ "؛ بالإضافة إلى ذلك، وصف البحر بأنه "رمادي". وقد أشار ويليام إيوارت غلادستون إلى أن هذا يرجع إلى تصنيف اليونانيين القدماء للألوان بشكل أساسي حسب درجة سطوعها وليس لونها، بينما يفترض آخرون أن هوميروس كان مصابًا بعمى الألوان (لكن تجدر الإشارة إلى أن هوميروس يُعتبر غالبًا أنه كان أعمى).

• ديكي، تومي د.؛ كاتاوار، جورج و.؛ فوس، كينيث ج. (أبريل 2011). "إلقاء ضوء جديد على الضوء في المحيط" (ملف PDF) . مجلة الفيزياء اليوم . 64 (4): 44-49 . رمز Bibcode : 2011PhT....64d..44D . doi : 10.1063/1.3580492 . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 25 أبريل 2012.
• بيتيت، إديسون (فبراير 1936). "حول لون مياه بحيرة كريتر" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 22 (2): 139-146 . Bibcode : 1936PNAS...22..139P . doi : 10.1073 / pnas.22.2.139 . PMC 1076722. PMID 16588059 .  

• ألوان مائية، مدرسة علوم المياه التابعة لهيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• ما لون الماء؟ — أسباب اللون من WebExhibits