作者：李小輝、毛萍、孫庚（中國科學院成都生物研究所、中國科學院成都分院）
文章來源於中國科普博覽大家族科學大院（ID：kexuedayuan）
有個神秘的仙境隱身在巍峨的岷山山脈，直到半個世紀前，它的真容才逐漸被外人知曉。潺潺流水穿行於山巒密林之間，形成了一個個令人心醉的藍色海子。這裡的湖泊如一塊塊藍色翡翠，在陽光的照耀下變幻出各種色彩，如夢似幻；這裡的湖泊又如一片片明鏡，映照著山川草木、藍天白雲，呈現出「鳥在水中飛，魚在天上遊」的奇觀。它就是九寨溝。
五花海是九寨溝最負盛名的景點，有「九寨精華」之美稱。雪後海子的碧藍與白雪相呼應，像極了童話世界。
五彩池是九寨溝顏色最為豐富的海子之一，以秀美多彩、純淨透明而聞名於世。五彩池也是九寨溝中最精緻的海子，被譽為「九寨之眼」。
九寨溝的水藍的耀眼，藍的醉人，可是九寨溝的藍究竟是什麼藍？你說是碧藍，我說是綠松石藍，他說是湖藍，她說是翠藍，這真的讓人藍（lan）上加難(nan)。喂，不要為難讀者了，好嗎？
關於Blue，那些你不知道的事情
除了九寨溝，世界上還存在著許多著名的藍色湖泊。例如，美國猶他州的熊湖、克羅埃西亞共和國的普利特維採湖國家公園、冰島的藍湖溫泉、澳大利亞南部甘比爾山脈的藍湖、紐西蘭南島上的提卡波湖等。
看到這些水天相應的美景，沒文化的我只會感嘆，哇，天空好藍啊，湖水好藍啊！然而世界上總共存在著深藍、鈷藍、道奇藍、海軍藍等41種藍色。和口紅色號一樣，每種藍色都可以通過色號或者顏色RGB值區分。口紅色號你可能很清楚，不過你知道上面那些湖的藍分別是哪些色號嗎？
在上面提到的湖泊中，各個湖泊由於地理位置、生態環境條件和水化學性質的差異，顏色也有不同。
粉末藍
藍湖溫泉是冰島最大的一處地熱溫泉，藍湖的顏色呈現出一種近似牛奶狀的粉末藍。據研究，藍湖的藍色是由於溫泉中一種特殊的藍綠色海藻的存在，而牛奶色則得益於水體中大量的矽元素。
蒂芙尼藍
提卡波湖位於紐西蘭南島的南阿爾卑斯山脈東麓，屬於冰川堰塞湖，湖水呈現出的藍色屬於「蒂芙尼藍」。關於湖水的顏色成因，其實是湖水中懸浮的巖石微粒對太陽光的折射作用造成的。
綠松石藍
熊湖和普利特維採湖群呈現出的則是明亮的綠松石藍。熊湖和普利特維採湖群的顏色形成過程與碳酸鈣顆粒相關。兩個地區的地質構成都以石灰巖為主，湖水中溶解了大量的鈣鎂離子，水中高濃度的碳酸鈣微懸浮顆粒對藍綠光的反射作用使湖泊呈現出綠松石藍。
深藍
位於澳大利亞南部甘比爾山脈的藍湖號稱世界上最難（藍）的湖。顏色會隨著季節而變化。由於腐殖質對入射光的吸收作用，湖水在冬季呈現灰藍色。在夏季，由二氧化碳脫氣、溫度升高而生成的方解石晶體與腐殖質存在共沉澱效應，其對湖泊表層的腐殖質濃度具有調節作用。加上方解石晶體本身有助於短波長光的散射，因此湖泊顏色會隨著季節由灰藍色向深藍色轉變。
九寨溝藍（它是哪種藍？）
一般認為，不同物體對光的反射、吸收、散射情況不同，因此呈現出不同的色彩。就像上面提到的各種湖泊，巖石顆粒、水溶性二氧化矽顆粒、膠體硫顆粒、膠體矽鋁酸鹽顆粒、冰川粉等較小粒徑顆粒物的存在使湖水對太陽光具有獨特的反射、散射特性，因而湖泊會呈現出藍色。
九寨溝內的湖泊大多數屬於喀斯特湖泊，其水體顏色的形成與低濁度的湖水和水中存在的碳酸鈣顆粒相關，懸浮碳酸鈣顆粒對入射光線的瑞利散射、米氏散射作用可使湖水呈現藍色，而各個方向散射強度的差異，湖泊深度和水質的差異又賦予了湖泊五彩斑斕的藍。
我來告訴你，九寨溝藍到底是哪種藍
雖然喀斯特湖泊顏色的形成原因有過研究，但是由於喀斯特地區特殊的水文系統和地理環境，導致湖泊顏色形成機制錯綜複雜，研究難度較大。有關九寨溝等高原喀斯特湖泊的藍色形成機制研究更是缺乏，關於湖泊呈現出「五彩斑斕藍」的原因也沒有科學、合理的解釋。
目前，中國科學院成都生物研究所研究員孫庚團隊的碩士研究生李小輝等人通過高光譜設備，並結合室內水化學分析方法，首次將九寨溝喀斯特湖泊顏色進行定量化，揭示了九寨溝舉世聞名的藍色喀斯特湖泊顏色形成機制，建立了湖泊水質和顏色的回歸方程，合理解釋了九寨溝湖泊五彩斑斕的藍色成因，並將方程運用到了湖泊顏色的預測中。
下面我們來講一講這個研究是咋做的~
1. 顏色也能「量化」
為了解釋九寨溝湖泊顏色的形成原因，研究人員首先要將顏色進行定量化。
在理解這個顏色量化過程前，有必要先說說人眼究竟是怎麼感知到顏色的。
我們都知道，顏色是眼睛、大腦所產生的一種對光的視覺感受。白光可以分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種單色光。人眼中由於存在紅、綠、藍錐體細胞所以我們對紅、綠、藍光最為敏感。我們所感知到的大多數顏色都可以通過紅、綠、藍三原色按照不同的比例混合而成，這就是著名的「三色學說」。不同顏色的物體，由於反射光形成的光譜特徵分布不同，進入到人眼後，被三種錐體細胞選擇性吸收，經過一系列的光化學反應後在大腦形成了物體的顏色。
看到這裡，很多人可能一頭霧水，下面就舉個慄(例)子說明。
在雨過天晴或天氣晴朗時，天空往往是藍色的。這是由於此時大氣中的懸浮顆粒比較少，在大氣分子的強烈選擇性散射作用下，藍光從太陽光中散射開，從而瀰漫到整個大氣層，進入到人眼中的藍光佔據了絕大部分，這使我們感覺到天空是藍色的。
研究人員以人眼顏色感知原理為理論基礎，藉助高光譜設備(ASD FieldSpec HandHeld 2可攜式地物光譜儀)測定出人眼可見光範圍內(380nm-780nm)湖泊水體各取樣點的離水輻亮度數據（光經過水體後返回大氣界面的光譜輻射）。借鑑色度學理論，在可見光範圍內進行數學積分運算，推導出顏色三刺激值XYZ。又通過XYZ值計算出色坐標(x,y)，對應CIE1931色品圖即可確定各取樣點的顏色。也可以通過Matlab軟體進行矩陣運算後計算出每個取樣點處的顏色RGB值。這樣，通過模擬人眼感知顏色的過程，研究人員測定出湖泊水體的光譜數據後，就可將複雜的湖泊顏色定量化為簡單的顏色RGB值。這有利於後續顏色形成機制研究的開展，也為探究湖泊顏色和水質的關係奠定了堅實的基礎。
上面的原理是乾貨，下面直接上圖！
湖泊顏色的定量化測定過程可以看作人眼感知到顏色的過程。高大上的ASD地物波譜儀可以近似看作接收入射光的人眼，而複雜的積分和矩陣計算實際上就是模擬人眼中的一系列光化學反應。
在分析了湖泊的離水輻亮度數據後，研究人員發現，九寨溝水體對可見光的吸收、反射、散射作用具有強烈的波長選擇性，反射光中藍綠光比例顯著高於紅光，這是與湖泊獨特的水環境條件密切相關的，並直接決定了人眼觀察到的湖泊顏色。根據測得的數據，五花海水體反射紅、綠、藍光比例平均為9.2%、49.6%、41.2%，反射光的這種獨特組成使得人眼觀察到的湖泊顏色為明亮的藍綠色。
2.水裡「藏著」的顏色秘密
為了探究湖泊水體對可見光選擇性反射、散射的原因，研究人員同時採集了湖泊水樣進行室內水化學分析。
經過研究後發現，九寨溝湖泊水體濁度較低，除個別樣點外，大部分水域濁度在0.69NTU左右，透明度極高。肉眼觀察，湖水基本與罐裝怡寶相差無幾。究其原因，原來九寨溝喀斯特湖泊水體主要來自大氣降水、高山融雪水和地下巖溶水補給，本身就含沙量少、潔淨度高。加上九寨溝風景區湖岸植被豐富，地表徑流較少，水體含沙量低，這使得湖泊水體濁度較低而透明度極高。試想，如果湖水中泥沙含量多，是無論如何也無法呈現出漂亮的藍色。
光清澈還不夠，九寨溝湖泊中獨特的鈣華顆粒才是湖泊顏色形成的關鍵。九寨溝湖泊水化學類型屬於Ca2+-HCO3-、Mg2+-HCO3-型，水體中含有豐富的Ca2+、HCO3-，且這些離子濃度要高出普通的高原湖泊數倍以上。如此高濃度的Ca2+、HCO3-以及鹼性的水體環境使得湖水的方解石飽和指數（SIC）較高，即湖泊中有大量的鈣華(碳酸鈣)顆粒物存在。這些鈣華顆粒由於瑞利散射而對可見光中的短波長光(380-570nm)具有強烈的選擇性反射和散射作用。而且鈣華沉積過程對磷酸鹽等營養物質具有固定作用，碳酸鈣與水形成的膠體溶液也具有溶解沉澱效應，可以吸附湖水中的懸浮雜質，對水體具有淨化作用，這進一步降低了湖泊濁度。鈣華顆粒對太陽光的瑞利散射和低濁度相互作用，使得湖水以反射、散射短波長可見光為主，但人眼對可見光中的紫光不敏感，所以我們感知到的湖泊顏色主要呈藍綠色。
那麼問題來了，湖泊五彩斑斕的藍色又該如何解釋呢？上文提到碳酸鈣顆粒物由於瑞利散射作用而選擇性反射和散射了可見光中波長較短的藍綠光。其實在瑞利散射過程中，光線在各個方向上的散射強度也是不一樣的，這使得從不同角度觀察湖面，湖泊會呈現出不同深度的藍色。同時，由於湖泊清澈度較高，當湖泊達到一定深度時，高潔淨度的水體選擇性吸收了紅光等長波長可見光而主要反射短波長的藍綠光，此時湖泊越深，人眼觀察到的湖泊顏色就越藍。因此，在相同湖泊的不同水域，如果深度出現差異，那麼湖水常常也會呈現不同程度的藍色。除此之外，不同湖泊、不同季節，由於水質特性的差異會直接導致鈣華沉積速率的改變，所以不同的湖泊反射短波長藍綠光的能力也不盡相同。以上幾個因素造就了景區內同一條溝不同湖泊，同一湖泊不同水域，同一湖泊不同季節的藍色程度出現差異。這便是九寨溝五彩湖泊這一奇特景觀的形成原因。
碳酸鈣與湖水形成的膠體溶液具有溶解沉澱效應，能夠吸附湖水中的懸浮雜質，使得湖泊水體清澈透明；當湖泊達到一定深度時，透明水體對入射光中的紅光等長波長光具有強烈的吸收作用而主要反射藍綠光；再加上喀斯特湖泊水體中的碳酸鈣顆粒對入射光的選擇性反射、散射作用，使得進入到人眼中的短波長藍綠光比例較高，故人眼感知到湖泊為藍綠色。
純淨水體對750-760nm波長處可見光的吸收率達到最大，當湖泊達到一定深度時，湖泊水體大量吸收長波長紅光，並以反射、散射藍綠光為主。此時，湖泊越深的地方顏色越藍。
3.用方程預測顏色
通過相關性分析、冗餘分析等分析方法，研究人員發現湖泊的顏色與水質的變化密切相關。為了進一步探究水質變化對湖泊顏色可能的影響，研究人員將水化學分析獲得的水質數據與湖泊RGB顏色值數據進行了逐步線性回歸分析，建立了九寨溝湖泊的水質-顏色方程：
方程中的自變量是透明度、離子濃度、電導率、溶解氧等水質指標，因變量是顏色R值和B值。藉助這個回歸方程，可以通過測定湖泊水質進而預測湖泊的顏色變化。研究人員將2019年7、8、9月測得的水質數據代入到方程中，預測了九寨溝五花海、鏡海、犀牛海湖泊的顏色變化。從預測結果可以直觀看出，湖泊顏色隨著季節的變化顏色逐漸由藍色轉變為綠色。
不要小瞧這個方程，今後或許就可以通過監測湖泊水質變化進而預測湖泊的顏色變化，從而更好的保護九寨溝美麗的湖泊。類似的方法也能運用到其他的湖泊中。
通過上面的內容，是不是已經對九寨溝藍色湖泊有了更深的了解呢？九寨溝是大自然賜予人間的寶貝，神奇的九寨溝還有很多秘密值得我們去探索，保護她就是保護人類賴以生存的環境。
後記：最科研的炫富——我在九寨溝划過船
在實驗過程中，為了測定出每個湖泊不同取樣點的顏色，研究人員常常需要划船到湖中心採集水樣並收集光譜數據。
你以為的採樣是這樣：
But，事實卻是這樣的：
遊玩的時光總是短暫而美好~ 清醒過來就該搬磚了。
漂在九寨溝湖面的不一定是仙女，還有可能是取樣測樣的科研er。當我跟人拼簡歷的時候，前面那個人吹「我給熊貓擦過屁股，取過熊貓糞便」；我只有作詩一首來表達自己的傲嬌：「常記九寨日暮，取樣不知歸路。事盡晚回舟，誤入科研深處……」
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