Twoja wyszukiwarka

HENRYK DROZDOWSKI
KOLOROWE MORZA
Wiedza i Życie nr 7/2001
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 7/2001

Dlaczego Morze Białe jest białe, a Morze Czerwone - czerwone? Jak to się dzieje, że ten sam akwen może zmieniać swój odcień zależnie od pory dnia czy falującej powierzchni?

Obserwując morze, zwykle zastanawiamy się, czy przypadkiem barwa jego wód nie jest zwykłym odbiciem nieba. Choć pogląd taki nie jest pozbawiony podstaw, to jednak różne morza mają różne kolory: głęboki szafir, intensywna zieleń, czasem zaś barwa brunatna lub brunatnoczerwona. Nie bez powodu mamy Morze Białe, Morze Czarne, Morze Żółte czy Morze Czerwone.

Pionierskie badania nad przyczyną barwy wód morskich podjęli jednocześnie na dwóch przeciwległych krańcach świata Chandrasekhara Venkata Raman w Kalkucie i Wasilij Władimirowicz Szulejkin w Moskwie. Raman rozwiązał ten problem w przypadku Oceanu Indyjskiego z jego przezroczystą wodą u wybrzeży Zatoki Bengalskiej. Szulejkin zaś zajmował się zarówno przezroczystymi oceanami, jak również mętnymi akwenami w rodzaju Morza Białego lub Bałtyku.

Ryc. 1. Odbicie i załamanie światła na granicy powietrza i wody. Kat padania () jest równy katowi odbicia (1) i oba leżą w jednej płaszczyźnie

Aby lepiej zrozumieć opisywane zjawisko, warto przypomnieć sobie, jak zachowuje się światło przechodzące z powietrza do wody. Jeśli promień światła pada na jej powierzchnię pod jakimś kątem, to dalszy jego bieg w wodzie nie zachodzi już po tej samej prostej. Światło na granicy ośrodków (powietrza i wody) zmienia kierunek - mówimy, że ulega załamaniu i to - w zależności od jego barwy niejednakowo. Najmniej odchyla się światło czerwone, trochę więcej pomarańczowe, a dalej w kolejności: żółte, zielone, niebieskie i najbardziej - fioletowe. Z doświadczenia Newtona z pryzmatem wiemy, że promień białego światła ulega rozszczepieniu, dając widmo składające się z najróżniejszych barw, zmieszanych w ściśle określonej proporcji.

Co jednak się dzieje, jeśli promień białego światła pada pionowo na powierzchnię morza? Niewielka część światła zostanie odbita z powrotem, natomiast większość przeniknie w głąb wody. Ponieważ woda w niejednakowym stopniu przepuszcza promienie różnych barw będące składowymi światła białego, światło barwy czerwonej i żółtej zostanie dość silnie pochłonięte nawet przez cienkie warstwy wody, ale już niebieskie i fioletowe znacznie słabiej. Tak więc światło przenikające coraz głębiej nabiera wyraźnego zielonkawoniebieskiego koloru. W rzeczywistości to zjawisko komplikuje się, gdyż światło jest pochłaniane nie tylko przez cząsteczki wody, ale również przez substancje w niej rozpuszczone lub zawieszone. A w wodzie morskiej można znaleźć prawie wszystkie pierwiastki występujące na Ziemi. Oprócz soli, w morzu są rozpuszczone również substancje organiczne, które pochłaniają więcej energii świetlnej niż roztwory soli.

Ryc. 2. Pochłanianie światła prez wodę

Światło ulega również rozproszeniu w wodzie we wszystkich kierunkach najsilniej promienie niebieskie, najsłabiej czerwone. Ponadto w wodzie światło jest rozpraszane przez mikroorganizmy, przez zawiesiny nierozpuszczalnych minerałów, cząstki emulsji tłuszczu oraz przez wahania gęstości wody.

Biegnące w głąb światło rozprasza się we wszystkie strony, pewna jego część także ku górze, wydostając się na powierzchnię. Właśnie to światło odgrywa szczególnie istotną rolę w zabarwieniu morza.

Ponieważ promienie niebieskie są słabo pochłaniane przez wodę, natomiast silnie się w niej rozpraszają, zostają najszybciej skierowane w górę i dzięki niewielkiemu pochłanianiu nie osłabną tak bardzo jak promienie innych kolorów.

Podczas nagrzewania się wody morskiej jej zdolność rozpraszająca wzrasta, a podczas ochładzania obniża się. Przyczyną tego jest rosnąca wraz z temperaturą rozpuszczalność gazów w wodzie. Tak więc "własną barwę" morza tworzą oba procesy - pochłanianie i rozpraszanie światła. Gdyby w morzu następowało tylko rozproszenie (bez odbicia), jego barwa byłaby mlecznobiała, ponieważ całe światło wpadające do wody musi w końcu z niej wyjść. Morze, w którym następowałoby tylko pochłanianie światła, w praktyce powinno być czarne jak atrament (na zewnątrz wychodziłyby tylko te promienie, które dosięgły dna i od niego się odbiły).

Morza z wodami przezroczystymi mają przepiękny, intensywny niebieski kolor, natomiast z zamąconymi są niebieskozielone.

Ryc. 3. Wykresy tzw. krzywych widmowych pokazują względne natężenie (I) promieni światła rozmaitych barw wychodzących z głębi morza. Krzywa oznaczona literą A została obliczona przez Ramana, który założył, że w wodzie morskiej istnieje jedynie rozproszenie molekularne (przy zaniedbaniu roli substancji gazowych i stałych). Krzywa odpowiada bardzo intensywnemu niebieskiemu kolorowi. Może ona mieć jednak zastosowanie tylko w ojczyźnie Ramana, tj. w Zatoce Bengalskiej lub w podobnych morzach podzwrotnikowych, gdzie przezroczystość wód jest bardzo duża. Natomiast krzywe B, C i D odpowiadają trzem różnym morzom i obliczone zostały przez Szulejkina. Krzywa E odpowiada Morzu Czarnemu, F – Morzu Białemu, a G – Bałtykowi. Liczby 0.5 i 0.6 oznaczają długość fali świetlnej najkrótsze fale odpowiadają kolorowi fioletowemu i niebieskiemu, najdłuższe pomarańczowemu i czerwonemu

Do pomiarów stopnia przezroczystości wody używa się stopniowo zanurzanego białego krążka o średnicy 30 cm, noszącego nazwę krążka Secchiego. W Morzu Sargassowym, w środkowej części północnego Atlantyku, krążek ten zanika na największej zaobserwowanej gdziekolwiek głębokości 66 m. Tamtejsza woda pod względem właściwości optycznych prawie nie różni się od wody destylowanej. W europejskich morzach krążek Secchiego staje się niewidoczny już na głębokości 25 m (Morze Czarne), a nawet 5-10 m (Morze Białe i Morze Bałtyckie), stąd zupełnie inny przebieg odpowiadających im krzywych widmowych.

Wynika z tego, że barwa morza zmienia się więc najsilniej pod wpływem dużych, zawieszonych w wodzie cząsteczek.

Promienie świetlne przenikają jednak do wody znacznie głębiej - zależy to od stopnia zawartości zawiesin. W wodach oceanicznych przeciętnie następuje to na głębokości 400 m, choć czasem nawet na 1000 m. Po sztormach, ulewnych deszczach, zwłaszcza w zatokach, do wody dostają się różnorodne zawiesiny, szczególnie cząsteczki mułu najrozmaitszych kolorów; wtedy też powierzchnia morza przybiera odpowiednie zabarwienie.

Zabarwienie morza zmienia się również pod wpływem falowania wody. Przy tym samym położeniu oka obserwatora natężenia promieni świetlnych: wychodzących z wody i odbitych od niej, zmieniają się zależnie od stromości fali.

Ryc. 4. Zmiana zabarwienia morza w czasie falowania. Wiązki promieni świetlnych: M (wychodząca z wody) i H (odbita od powierzchni) zlewają się i wpadają w oczy obserwatora; H0 oznacza natężenie światła padającego na powierzchnię wody ze sklepienia niebieskiego, natomiast M0 natężenie światła, które wyszłoby spod powierzchni wody, gdyby część nie odbiła się od niej

Przy spokojnym morzu linia wzroku obserwatora patrzącego w dal ślizga się po prawie płaskiej powierzchni, a jaskrawość światła wewnętrznego jest znikoma. Dlatego widzialna barwa morza musi zależeć praktycznie jedynie od zabarwienia nieba. Gdy jest ono czyste, morze przybiera barwę jasnobłękitną, jeżeli jest zachmurzone morze staje się ołowianoszare. Wystarczy jednak, żeby powierzchnia morza nieco zafalowała, a woda będzie przybierać coraz intensywniejszą barwę siną lub zieloną, w zależności od barwy promieni pochodzących z głębi morza.

Wody morskie pozbawione planktonu są błękitne. Ponieważ plankton jest głównym składnikiem pożywienia ryb, w wodach błękitnych zwierząt jest niewiele. Dlatego biologowie takie wody nazywają "morskimi pustyniami". Występują one przede wszystkim na obszarach zwrotnikowych.

Przenieśmy się jednak nad Bałtyk. Jest on wprawdzie ubogi w różnorodność życia, ale odznacza się za to niezwykle rozległą skalą barw - począwszy od granatowej w słoneczne dni pełnego lata, poprzez wszystkie odcienie barw zielonoszarych. Zielona barwa występuje w płytkich i przybrzeżnych wodach mórz szerokości umiarkowanych, a także w wodach polarnych. W sierpniu i wrześniu w Morzu Azowskim zazwyczaj kwitnie plankton. Z powodu jego obfitości woda jest wówczas zielona nawet w małej objętości, np. w wiadrze.

Wody o barwie żółtej i żółtobrunatnej występują w strefach przybrzeżnych. Barwy ich zależą od organicznych i nieorganicznych zawiesin niesionych przez rzeki, a nawet wiatry wiejące od strony lądu. Morze Żółte bogate jest w lessy i gliny dostarczane przez wielkie chińskie rzeki, głównie Jangcy. Z kolei Morze Białe zawdzięcza swą nazwę mgłom, które je zakrywają przez większą część roku.

Morze Czerwone rzeczywiście czasem ma barwę czerwonawą. Przyczyna tego zjawiska leży w masowym pojawianiu się w warstwie powierzchniowej czerwono zabarwionego planktonu i alg. Czerwonawy odcień nadaje mu też czerwonofioletowa mgiełka pochodząca z pyłów nanoszonych od rozprażonych Słońcem okolicznych pustyń. Planktonowe sinice podobnie jak krwawe zachody Słońca potęgują ogólny efekt czerwonej barwy morza.

Całą różnorodność barw wód morskich tłumaczy się załamaniem, odbiciem, pochłanianiem i rozpraszaniem światła na powierzchni i pod wodą oraz przez substancje rozpuszczone i zawieszone w wodzie. Warto o tym pomyśleć, podziwiając ich piękno.

 Dr inż. HENRYK DROZDOWSKI jest adiunktem na Wydziale Fizyki UAM w Poznaniu. Zajmuje się badaniami strukturalnymi fazy skondensowanej.