水的深度和顏色的關係？

01-07

海水為什麼是藍色的？三四米的水是綠色的，深度和顏色有關嗎

謝邀~~

這是個非常有意思的問題——乍一看很簡單，但其實至少對我來說比較複雜。

看到問題我的第一反應是瑞利散射（Rayleigh scattering）的結果——因為當介質中的散射顆粒直徑遠小於可見光波長時（對於空氣、水等天然透明介質往往都滿足這個條件），入射光（一般是太陽光）中波長較短的光（偏藍的光）會被散射得更厲害，從而使得被照射的介質呈現藍色。天空呈現藍色就是這個原因。於是我第一反應想當然地覺得海水呈現藍色也是這個原因。並且當海水越深的時候，因為海水的量增大，就會有更多被散射的藍色的光，所以會呈現更深的藍色。有些對物理光學比較了解的人也會想當然地將其解釋為瑞利散射的原因。

海水為什麼會因為水深的原因不斷變顏色?_百度作業幫

然而只要再稍稍仔細一想，就會發現這個解釋是有問題的。

根據瑞利散射公式

其中I0為入射光的光強；I為散射光的光強；theta為散射角；R為散射顆粒與光源之間的距離；lambda為入射-被散射的光的波長；d為散射顆粒直徑；n為散射顆粒折射係數。

（引自 Optical-thermal response of laser-irradiated tissue, 第二版編者：A.J.Welch and M.J.C. van Gemert, Springer出版社, 2011. 第20頁式 2.6）

對於水中任意一個散射顆粒而言，如果一束入射光（一堆入射的光子）照射在這個散射顆粒身上，會出現怎樣的狀況？由於這是一個特定的散射顆粒，所有與散射顆粒相關的變數都已經固定。而提供入射光的光源是太陽，可以看做是白光——即入射光包含了所有可見光波長的光，而且各個波長的光所佔的比例大致相同。

（僅考慮瑞利散射作用時，白光入水後的物理情景模擬圖。分子攝影師，2016。原創圖片引用請註明作者）

如圖所示，當白光入射到水中，遇到淺層散射顆粒時，很多短波長的光（主要是藍光）、部分中波長的光（主要是綠光）和少量長波長的光（主要是紅光）被散射。此時未被散射的光和被前向散射的光繼續向更深的的水中前進。而這些光已經不是原來的白光——而是波長越長的光占的比例越大。同時，到達中層散射顆粒的時候，入射光的強度已經不及到達淺層散射顆粒的入射光強度（圖中通過增大箭頭填充色的透明度來體現）。因此，被中層散射顆粒散射的光里，短波長藍光的比例較淺層散射光有所下降，但被散射的光仍然主要為短波長的光。同樣的變化出現在光從中層繼續前進到深層的過程中。到達深層散射顆粒的入射光中長波長的光占的比例更大，光強度更弱。而深層散射顆粒散射出來的光中，短波長光占的比例更小，但仍然多於被散射的長波長的光的比例。

註：上述文字結論和圖示均為定性參考，所取數值比例不一定符合定量關係。

因此，如果只考慮瑞利散射的作用，我們從水面上應該是看到了不同深度水體散射所造成的疊加效果：當水的深度較淺的時候，水呈現藍色。當水的深度加深之後，水仍然呈現藍色，但嚴格來說藍的程度應該是減弱了，因為深層的水不如淺層的水那麼藍。考慮到深層的水所呈現散射光的強度也會減弱，所以對總體疊加效果的影響很小，我們可能不會看出來水的藍色的程度減弱。但至少，隨著水深度的增加，水的藍色程度不應該是加強的。

這與我們實際所觀察到的水的藍色程度隨水的深度增加而增加的現象不符！

所以，我認為在「水的藍色程度隨深度增加而增加」這個現象中，起主要作用的應是水對可見光的吸收（absorption）。由於水是透明的，所以水對可見光的吸收作用很小，小到對於少量水可以忽略不計。然而，水對可見光的吸收度卻是隨波長不同而不同的。當水體的量級達到如海洋般巨大時，水的光吸收作用就顯現出來了——水在可見光波長範圍內的吸收光譜也就起作用了。

（圖片來源： Water absorption spectrum）

如圖所示，水對於短波長的光的吸收程度要小於對於長波長光的吸收程度。因此，僅考慮瑞利散射作用的示意圖是不對的。加入考慮光吸收作用後的更正版示意圖如下：

（考慮瑞利散射和光吸收作用時，白光入水後的物理情景模擬圖。分子攝影師，2016。原創圖片引用請註明作者）

考慮光吸收後，入射光隨深度增加時，越來越多的長波長光被水吸收，所以光會變得越來越藍。這種由於短波長光的比例逐步增加，而且增加程度與波長成反比而造成的「越來越藍」，更準確地描述應該是像藍墨水加入水之後那種幽冷的青藍——可以用「畫圖」或者「Microsoft Office」裡面的調色板自己逐步降低紅色和綠色的比例（讓紅色的比例降低得更多、更快）試試（現在還有人用墨水嗎？暴露年齡了……(⊙﹏⊙)b）。由於入射光中短波長光的比例隨著水深度的增加而增加，所以被深層散射顆粒散射的光的短波長比例也是在逐步增加的。因此，單看散射光，是隨著水的深度的增加而「越來越藍」。同時，散射光在穿過其上方的水體，進入到觀察者眼睛的過程中，也會進一步被吸收其中的長波長部分，因此會進一步變藍。

綜上所述，水呈現藍色，瑞利散射和水在可見光波長範圍內的吸收光譜都起正面作用。而水的藍色的程度隨水的深度增加而增加，則是水在可見光波長範圍內的吸收光譜起正面作用；而瑞利散射起一點點負面作用——顯然，從我們觀察到的現象看，水的光吸收作用最終佔了主導。

以上主要是理論推導的結果。與別人討論時我被告知純凈水確實是有一點呈現藍色的——我希望這是真的，因為這符合理論推導。然而真讓我裸眼看出來純凈水是藍的卻並不容易。如果純凈水真的呈現藍色，那麼就可以作為支持上述理論推導的一個實驗證據。然而題主問的是海水。考慮到海水的複雜性，還應該考慮一下因素：

1、溶于海水中的金屬離子會不會影響海水的顏色？如亞鐵離子（Fe2+）呈現綠色等（藍色的銅離子應該沒那麼容易在複雜的鹽溶液中穩定存在吧？）。

2、海水中的藻類和光合菌類等生物會不會影響海水的顏色？這類生物一般也是呈藍綠色的，而且有相當一部分是肉眼不可見的——所以別說「這片海水裡面沒長什麼海藻啊！」其實可能有些小的光合生物你看不見。

純個人看法，歡迎探討。

----------------------------------------------------2016年1月6日第一次訂正-----------------------------------------------

十分抱歉，上圖中散射光的波陣面形狀畫錯了。根據米散射_百度百科中的圖片內容，瑞利散射的波陣面應該是類似於花生的形狀（下圖中的上半部分的情況）。

同時，米散射的百度百科中也指出，深海呈現深藍色是因為深海中主要的散射顆粒直徑均小於入射光波長，故符合瑞利散射波長越短的光越容易被散射的特點。而近海（淺海）呈現藍綠色是因為近海中主要的散射顆粒直徑均小於入射光波長，故符合米散射的特點。而米散射的特點我目前並不熟悉，因此尚無法對百度百科的內容給出判斷。但我同意（我在答案中也提到了）「海水中溶解的金屬離子和懸浮的光合生物可能會影響海水顏色」的說法。----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

有，和能見度也有關係。

越淺顏色越淺

能見度越好顏色越淺

因為深度越大(丟失)的紅色越多