水的深度和颜色的关系?

如题所述

如果只考虑瑞利散射的作用,我们从水面上应该是看到了不同深度水体散射所造成的叠加效果:当水的深度较浅的时候,水呈现蓝色。当水的深度加深之后,水仍然呈现蓝色,但严格来说蓝的程度应该是减弱了,因为深层的水不如浅层的水那么蓝。考虑到深层的水所呈现散射光的强度也会减弱,所以对总体叠加效果的影响很小,我们可能不会看出来水的蓝色的程度减弱。但至少,随着水深度的增加,水的蓝色程度不应该是加强的。
这与我们实际所观察到的水的蓝色程度随水的深度增加而增加的现象不符!
所以,我认为在“水的蓝色程度随深度增加而增加”这个现象中,起主要作用的应是水对可见光的吸收(absorption)。由于水是透明的,所以水对可见光的吸收作用很小,小到对于少量水可以忽略不计。然而,水对可见光的吸收度却是随波长不同而不同的。当水体的量级达到如海洋般巨大时,水的光吸收作用就显现出来了——水在可见光波长范围内的吸收光谱也就起作用了。
考虑光吸收后,入射光随深度增加时,越来越多的长波长光被水吸收,所以光会变得越来越蓝。这种由于短波长光的比例逐步增加,而且增加程度与波长成反比而造成的“越来越蓝”,更准确地描述应该是像蓝墨水加入水之后那种幽冷的青蓝——可以用“画图”或者“Microsoft Office”里面的调色板自己逐步降低红色和绿色的比例(让红色的比例降低得更多、更快)试试。由于入射光中短波长光的比例随着水深度的增加而增加,所以被深层散射颗粒散射的光的短波长比例也是在逐步增加的。因此,单看散射光,是随着水的深度的增加而“越来越蓝”。同时,散射光在穿过其上方的水体,进入到观察者眼睛的过程中,也会进一步被吸收其中的长波长部分,因此会进一步变蓝。
综上所述,水呈现蓝色,瑞利散射和水在可见光波长范围内的吸收光谱都起正面作用。而水的蓝色的程度随水的深度增加而增加,则是水在可见光波长范围内的吸收光谱起正面作用;而瑞利散射起一点点负面作用——显然,从我们观察到的现象看,水的光吸收作用最终占了主导。

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第1个回答  2017-11-24

当白光入射到水,遇到浅层散射颗粒时,很多短波长的光(主要是蓝光)、部分中波长的光(主要是绿光)和少量长波长的光(主要是红光)被散射。此时未被散射的光和被前向散射的光继续向更深的的水中前进。而这些光已经不是原来的白光——而是波长越长的光占的比例越大。同时,到达中层散射颗粒的时候,入射光的强度已经不及到达浅层散射颗粒的入射光强度(图中通过增大箭头填充色的透明度来体现)。因此,被中层散射颗粒散射的光里,短波长蓝光的比例较浅层散射光有所下降,但被散射的光仍然主要为短波长的光。同样的变化出现在光从中层继续前进到深层的过程中。到达深层散射颗粒的入射光中长波长的光占的比例更大,光强度更弱。而深层散射颗粒散射出来的光中,短波长光占的比例更小,但仍然多于被散射的长波长的光的比例。

第2个回答  2017-11-24

看到问题我的第一反应是瑞利散射(Rayleigh scattering)的结果——因为当介质中的散射颗粒直径远小于可见光波长时(对于空气、水等天然透明介质往往都满足这个条件),入射光(一般是太阳光)中波长较短的光(偏蓝的光)会被散射得更厉害,从而使得被照射的介质呈现蓝色。天空呈现蓝色就是这个原因。于是我第一反应想当然地觉得海水呈现蓝色也是这个原因。并且当海水越深的时候,因为海水的量增大,就会有更多被散射的蓝色的光,所以会呈现更深的蓝色。有些对物理光学比较了解的人也会想当然地将其解释为瑞利散射的原因。

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