Proč má voda modrou barvu?

Jakou barvu má voda v různých hloubkách? Malá bajka o Aqua City a hladových elektronech. (délka blogu 8 min.)

Proč je vlastně moře modré? Částečně je to tím, že se na jeho hladině odráží modrá barva nebe. Moře má ale modrou barvu i tehdy, když je zataženo a nebe samo je našedlé. Tehdy má moře dokonce velice hezkou a sytě tmavě modrou barvu.

Na vině je, jak jinak - fyzika.

Fyzika v moři

Modrá barva je u silné vrstvy vody (v moři nebo v jezeře) způsobena interakcí mezi paprsky světla a molekulami H2O.

Představme si vodu jako sídliště plné identických staveb, elektronových hotelů (elektronový hotel -viz jeden z dřívějších blogů, blog o vodoměrce). Říkejme mu Aqua City.

Sluneční světlo vnímáme jako bílé, ve skutečnosti se ale skládá z fotonů s různými charakteristikami - vlnovými délkami. V pomyslném sídlišti plném staveb, ve kterých bydlí protony a elektrony, by se takový paprsek podobal zmrzlináři, který za sebou táhne vozík plný barevných chutných výrobků.

Jak už to tak bývá, zmrzlinář sice nabízí různé druhy zmrzliny, ale zdaleka ne všechny mají u zákazníků stejnou oblibu. Ukazuje se totiž, že je v elektronových hotelích v Aqua City daleko větší poptávka po červené (jahodové), zelené (pistaciové) a žluté (s mangem) zmrzlině, než po té, která má modrou barvu a příchuť po borůvkách.

Čím déle korzuje zmrzlinář po ulicích, tím méně má červené zmrzliny. Nakonec ji vyprodá úplně. Pak zmizí z jeho vozíku i žlutá a zelená. Na poslední elektrony zbude už jen modrá. Nemají ji sice moc rády, ale co si počnou, je vedro, nakonec vykoupí elektrony i tento modrý zbytek sortimentu. Pokud má tedy zmrzlinář dost zákazníků a město je dost velké, zbaví se nakonec celého sortimentu, pokud je Aqua City menším městem, může se mu stát, že mu na vozíku zbude modrá zmrzlina, nebo dokonce i zelená nebo žlutá..

Co se vlastně stane při absorpci světla molekulou vody?  

Elektrony v Aqua City si koupily zmrzlinu a pochutnaly si na ní. Ve fyzikální praxi to vypadá tak, že poté, co si pochutnal na fotonu, se přesune elektron na vyšší energetickou úroveň.

V takovém stavu je ale nestabilní. Příroda nerada plýtvá a všechny elektrony mají tendenci být v základním stavu s minimální energií. Co nejdříve se tedy snaží vrátit do původního stavu. Vyřeší to tak, že předá energii, kterou získal od fotonu, do některého z následujících procesů:

Podle toho, co je pro daný materiál nejpříjemnější, se pak může vyzářit další foton, tentokrát s (danými elektrony oblíbenou) vlnovou délkou (fyzik tomu říká luminiscence) - nebo se například energie investuje do pohybu vlastní molekuly.

V Aqua City nemají elektrony baterky, aby mohly ze samé rozvernosti uspořádat světelnou show, musí se tedy omezit na tanec, vibrace a prosté dupání do rytmu. I když jsou elektrony malé, lehké částice, nakazí svou energií nakonec i protony, které bydlí ve sklepě.

...

Připomeňme si, že v molekulách vody se nacházejí dva velice nešťastné protony (oba atomy vodíku), které jsou osamělé - nejen že nemají žádného protonového partnera, opustil je dokonce i jejich elektron (ten šel na párty, kterou pořádá atom kyslíku). Vezmou tedy za vděk jakýmkoliv rozptýlením.

Právě tyto dva osamělé unuděné protony se lehce nakazí náladou elektronů a postupně se díky jejich energii dostávají do extáze.Díky nim pak vibruje celá struktura molekuly vody, a to dokonce různými způsoby.(link:http://www1.lsbu.ac.uk/water/images/v1.gif)

Absorpce světla a barva vody

Upřímně řečeno, elektrony v Aqua City mají nejraději velice vzácný druh zmrzliny, která má infračervenou příchuť (o barvě v tomhle případě nemá smysl uvažovat). Když je ale vykoupená, vezmou za vděk i ostatními druhy. Jejich choutky jsou vidět na následujícím grafu.

Dal by se přirovnat ke grafu, zobrazujícímu oblíbenost zmrzliny. Žlutá část odpovídá barevným zmrzlinám, ta část, která je vpravo, odpovídá příchuti “infračervená” a část vlevo od žlutého pásu odpovídá příchuti “ultrafialová”.

Z grafu je vidět, že nejoblíbenější je infračervená a ultrafialová příchuť. Jak by ne, jsou to vzácné pochoutky (nebo jste už někdy viděli na stánku “infračervenou” zmrzlinu?)

V Aqua City se pak prodá daleko dříve červená zmrzlina, než zmrzlina modrá.

Následující obrázek ukazuje, jak se to projevuje na barvě vody.

Do hloubky přibližně pěti metrů se elektronům podaří “vykoupit” prakticky veškeré červené fotony. Voda tu má nazelenalou barvu, protože ji zprostředkovávají fotony, které vidíme jako oranžové, žluté, zelené a modré.

Postupně voda více a více modrá, protože se ztrácí jak oranžová tak žlutá komponenta světla.

V hloubkách kolem 70 m je pak barva ztrácí, protože už vodou neprochází dostatek světelných fotonů, které by nám mohly barvu zprostředkovat. V hloubce kolem 400 metrů pak už panuje prakticky dokonalá tma.

Zato těsně pod hladinou se ve vodě “ztrácí” prakticky jen infračervená část spektra. To ocení hlavně plavci, vrchní vrstva vody je tak teplejší než její spodní vrstvy.