水是透明的,那為什麼海洋是深藍色的?

2020-12-18 李論科學

「每當我抬頭看月亮的時候,感覺就像是坐上了時光機,我又回到了那寶貴的時光,站在那片美麗、讓人不安的寧靜之海上,眺望著我們閃亮的藍色星球在黑暗的太空中孤獨地漂浮著。」——巴茲·奧爾德林

在太陽系的八大行星,包括太陽,顏色都不盡相同。離我們最近的月球是灰色的星球,我們外軌道上的鄰居火星是一顆紅色的星球,內軌道上的鄰居金星是一顆亮黃色的星球,土星閃耀著黃色的光芒,太陽則是異常謠言、令人眩目的白色。當我們從太空中觀察地球時,無論我們是在近地軌道,還是在外太陽系的位置,我們的星球看起來都像一顆藍色的寶石,是那麼的與眾不同。那麼我們的地球為什麼是藍色的?是因為天空還是海洋?

當然,整個地球在近處看並不是一個純藍色的星球。雲層會反射出白色的陽光,照射到觀察者的身上,地球上的冰,比如兩極的冰帽由於同樣的原因也呈現出白色。同樣的,大陸從遠處看是棕色或者是綠色的,兩種顏色的多少取決於地球上的季節以及陸地被植被的覆蓋情況。植被越多,當然地球也就綠的越多。

最後,地球是一顆名副其實的水球,擁有的水資源非常豐富,水也是生命所必須的載體元素。整個地球包括陸地海洋的總面積達到了5.1億平方公裡,但海洋面積就佔了百分之71,陸地只有29%。因此整個地球的顏色是由海洋的顏色主導的。

而且,水的顏色跟深淺有很大的關係,陸地上的湖泊、河流、淺水區域一般都是比較亮的青色,這個顏色會隨著深度的增加而變化,從青色、青藍色、到藍色,再到深藍色。如果你仔細看下圖,你會注意到在大陸周圍的區域比海洋深處的顏色要淺,呈現出了青藍色。

海洋的顏色

那麼問題就是海洋為什麼是藍色的?相信你聽說過這樣的說法,海洋是藍色的是因為天空是藍色的,整個海洋反應出了天空的顏色!?

當然,天空是藍色的這一點十分確定,這是因為太陽光在穿過地球的大氣層時,大氣層更容易向四面八法散射藍色(短波長)光,而紅色(長波長)的光更容易穿透大氣層。這就是為什麼:

白天的天空看起來是藍色的。因為照射在大氣層中的短波波長的光線被散射到了各個方向上,使得整個大氣層表現出了藍色。而達到我們眼睛中的太陽光由於確實一部分藍光,所以本應該是白色的太陽,看起來就變成了黃色。這就是為什麼我們認為太陽是黃色的,其實太陽的真實顏色並不是這樣的,而是十分耀眼的白色。太陽和月亮在落下和升起時呈現出了紅色。這是因為降落和升起時,太陽和月亮光會穿過更多的大氣層,這樣就會造成更多的藍光(短波長的光)被散射掉,由於光線中缺失了短波長的光,因此它們在地平線處看起來就是紅色的。月全食時,月亮呈現出了紅色。雖然月亮被地球遮擋住了,處在地球的陰影中,但是還是會有大量的紅光穿透大氣層並發生折射落在月球的表面,因此我們看到的月球就是紅色的。

如果海洋只是簡單的反應了天空的顏色,那麼我們就不會在深淺不一的水域裡看大深淺不一的藍色。而事實上,如果我們在沒有任何人工光源的自然光線下拍攝水下照片,就會注意到如果我們潛入一個合適的深度,幾乎看到的所有東西都會呈現出藍色。

這是因為水是由水分子組成的,而水分子跟所有的化學分子一樣,會優先吸收自己喜歡的特定波長的光線。水最容易吸收的波長是紅外線、紫外線和紅光。這就意味著,當我們往水下下潛到一定的深度,陽光會越來越少,水下會異常寒冷,並且我們還會受到水體紫外線輻射的保護,當陽光中的紅光被水分子大量吸收時,只剩下藍光可以達到某些深度,因此我們看到的所有東西都會變成藍色。

如果再往下一點,橙色光線也會被吸收。

過了這個階段,黃色、綠色光線就開始消失。

如果我們向幾公裡深處下潛,海水會原來越藍,直到變成深藍色,暗藍色,最後連藍光也會被吸收,這是最後的一點光線,剩下的就是無盡的黑暗。

這就是為什麼最深的海洋深處會呈現出深藍色的原因:因為所有的其他波長的光線都被海水吸收了,而最深的藍色光被重新反射到大氣,甚至外太空的機率最大,所以我們看到的海洋就是深藍色的。這也是為什麼地球在外太空看起來是藍色的。

如果地球上全部是海洋,沒有雲層、兩極的冰蓋、沒有大陸上的植被、水體,其實地球看起來會非常的暗淡,反照率並不高,這是因為海洋非常善於吸收太陽光,只會把11%的可見光反射回太空。

由於海洋覆蓋了地球表面71%的面積,其中大部分是很深很深的海洋,再加上雲層這些反照率比較高的東西,因此我們的世界從遠處看是一顆明亮的藍色寶石。

另一方面,天王星和海王星的情況是,它們的大氣主要由氫、氦和甲烷構成的。而海王星的冰比較豐富,化合物的種類也比較多,因此它的顏色也就不同。這些大氣在足夠大的濃度下,甲烷吸收紅光和反射藍光的能力非常強,而氫和氦對所有可見光幾乎都是透明的。所以對於藍色的氣體巨行星來說,它們的顏色是由於天空本身的顏色決定的。

但在地球上呢?地球的大氣層很薄,它的顏色不可能對我們星球的顏色負責。天空和海洋的顏色並不是因為誰反應了誰的顏色,它們本身都是藍色的。如果我們把海洋拿走,我們的天空依然是看色的,如果我們把大氣拿走(大氣維持了地球表面的液態水),我們的星球仍然是藍色的。

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