水的色彩之謎：從清澈到混濁的科學解析

你是否曾經好奇，為什麼有些湖泊呈現出明亮的藍色，而另一些卻是綠色或棕色？答案在於光線如何與水中的微小粒子、藻類和有機物質相互作用。這些自然現象不僅令人驚嘆，還為科學家提供了追蹤汙染、保護水生生態系統的重要線索。

當你想到水時，腦海中浮現的是什麼？是清涼解渴的飲用水，還是深藍色的海洋延伸到地平線？是清澈的湖泊映照著山巒，還是看起來混濁的小池塘？這些水體的外觀，往往會影響我們是否願意在其中游泳或進行其他活動。事實上，我們在不知不覺中運用了物理、生物和化學的科學原理來做出判斷。

水的顏色能告訴我們許多關於其成分的資訊。作為一名研究水資源的工程師，我常利用水的顏色來瞭解湖泊、河流和海灘的汙染程度。透過分析水的外觀，科學家可以判斷水是否適合游泳、釣魚或其他活動。雖然飲用水通常看起來清澈，但池塘、河流和海洋中卻充滿了漂浮的微小粒子，這些粒子可能是泥土、岩石、植物材料或其他物質的碎片。

這些粒子通常是在暴雨期間被帶入水中的。任何降雨如果沒有滲入土壤，就會形成地表徑流，沿著地勢流動，最終進入開放的水體，並在過程中攜帶鬆散的材料。水中的粒子會與太陽照射在水面的輻射相互作用，它們可以吸收或反射這些輻射，這一過程稱為散射。我們眼睛所看到的，正是從水面散射出來的輻射部分，這強烈影響了我們對水顏色的感知。

根據水樣中粒子的特性，它們會吸收和散射不同波長的輻射。光的波長決定了我們眼睛所看到的顏色。例如，含有大量沉積物的水體，如被稱為「大泥河」的密蘇裡河，會將光散射到黃色到紅色的範圍，使水呈現出橙色和混濁的外觀。而更乾淨、純淨的水則會將光散射到藍色範圍，使其看起來呈現藍色，例如俄勒岡州的火山口湖。

深水如火山口湖呈現深藍色，而淺水則可能因白色沙質底部的反射而呈現淺藍色或綠松石色，這在加勒比海島嶼周圍的水域中很常見。當水中含有大量植物材料時，葉綠素會吸收藍光並散射綠光，這種現象在接收大量徑流的水體中很常見，例如佛羅裡達州的奧基喬比湖。

此外，某些水中含有大量有色溶解有機物，這些物質通常來自分解的生物和植物，也可能來自人類或動物的排洩物。這種情況在森林地區或人口密集地區的水體中很常見，這些物質會吸收輻射並散射很少的光，使水看起來非常暗。

科學家通常認為自然界的水體會含有沉積物、葉綠素和有機物，這些物質有助於維持水中的生物多樣性。然而，過多的營養物質在陽光充足的日子裡可能會導致植物生長失控，甚至引發有害的藻華，這些藻華可能對游泳者或食用來自該水域的魚類的人造成健康威脅。

當水體汙染嚴重到威脅魚類、植物或人類健康時，政府會根據州和聯邦法律進行清理。水的顏色可以為這些清理工作提供指導。例如，我和我的學生在北卡羅來納州的高巖湖採集水樣，評估其水質。由於葉綠素含量高，藻華在該湖中越來越頻繁地發生，當地居民和遊客對此感到擔憂。

透過使用衛星照片和取樣資料，我們可以製作水質地圖，州政府官員利用這些地圖來追蹤葉綠素水平，並觀察其隨時間和空間的變化。這些資訊可以幫助他們在藻華發生時向公眾發出警告，並制定新的規則來改善水質。

本文由威克森林大學工程學助理教授 Courtney Di Vittorio 撰寫，改編自《對話》雜誌的一篇文章。