为什么浴缸里面的水看着是浅蓝色的？

浴缸里的水之所以看着是浅蓝色，是一个非常有趣的现象，涉及到水的固有颜色、光线的散射和吸收，以及浴缸本身的颜色和材质等多个因素的共同作用。下面我将详细地解释这个过程：

1. 水的固有颜色：

水的吸收光谱： 很多人认为水是完全透明无色的，这是在小体积下观察时产生的错觉。事实上，纯净的水，即使在大量时，也具有非常微弱但真实存在的吸收和散射特性。水的分子（H₂O）在吸收可见光时，对长波长的红色和黄色光吸收得相对更多一些，而对短波长的蓝色光吸收得较少。
振动和旋转模式： 这种吸收来自于水分子中氢氧键的振动和旋转模式。当光子能量与这些模式的能量相匹配时，就会发生吸收。红色和黄色光子的能量较低，更容易与水的振动模式发生共振并被吸收。
宏观效应： 由于水的这种选择性吸收，当光线穿过大量的水时，红色和黄色光会被逐渐过滤掉，而蓝色光则更多地被透射或散射出来。这就是为什么深海、大湖泊和冰川的水呈现蓝色的原因。

2. 光的散射：

瑞利散射： 光线进入水中后，会与水分子以及水中可能存在的微小颗粒发生相互作用。其中一种重要的散射现象是瑞利散射。与空气分子散射阳光的原理类似，当光波的波长远大于散射粒子（这里是水分子）的大小时，散射的强度与波长的四次方成反比。这意味着短波长的蓝色光比长波长的红色光更容易被散射。
各向同性散射 vs. 各向异性散射： 水分子自身的散射是各向同性的，也就是说在各个方向上的散射强度大致相同。但水中可能存在的其他微小颗粒（如尘埃、溶解物）可能导致更复杂的散射。

3. 浴缸内的具体情况：

体积限制： 浴缸里的水相对于海洋或湖泊来说，体积是有限的。这意味着水的固有吸收效应可能没有那么明显。然而，即使是有限的体积，也足以产生可见的颜色差异，特别是当其他因素增强这种效应时。
浴缸的颜色和材质： 这是影响浴缸里水看起来是浅蓝色的一个非常关键的因素。
白色或浅色浴缸： 绝大多数浴缸都是白色或浅色的。这种颜色本身就对光线有很强的反射作用。当光线照射到浴缸底部和侧壁时，一部分光会被浴缸表面反射回水中。
白色表面的反射： 白色物体之所以看起来是白色，是因为它们能够反射所有可见光，并且反射是相对均匀的。然而，在白色的浴缸表面，我们观察到的颜色实际上是光与水的相互作用后，再被白色表面反射回我们眼睛的颜色。
“蓝色的画布”效应： 白色浴缸就像一张“蓝色的画布”。当光线进入水中，一部分蓝色光被散射出来，一部分红色和黄色光被水吸收。当剩余的光线（主要是蓝光和一部分其他颜色的光）照射到白色的浴缸表面时，白色表面会将这些光线重新散射和反射。由于水中已经过滤掉了大部分的红光和黄光，剩下更容易被散射的蓝光比例更高，因此反射回来的光线中蓝色成分会更加突出。
蓝色釉面或涂层： 有些浴缸可能本身就带有微弱的蓝色釉面或涂层，或者经过特殊的处理，这些都会增强水的蓝色外观。
光的照射角度和强度：
顶部光源： 光线通常从上方照射到浴缸。
光线在水中传播路径： 光线需要穿过一定深度的水，发生吸收和散射，再到达浴缸底部被反射，然后再次穿过水到达我们的眼睛。这个过程中，水对红黄光的吸收和对蓝光的散射共同作用。
光线强度： 光线越强，水的颜色效应可能越明显。

总结整个过程：

1. 光线照射到浴缸中的水。
2. 光线穿过水时，水的分子会选择性地吸收长波长的红色和黄色光。
3. 同时，水的分子和其他微小颗粒会将短波长的蓝色光向各个方向散射（瑞利散射是重要原因）。
4. 这些散射出的蓝色光和未被吸收的（相对较多的）蓝色光，到达浴缸底部和侧壁。
5. 浴缸的白色或浅色表面会反射这些光线。由于经过水吸收和散射后，蓝色光的比例相对较高，所以反射回来的光线中蓝色成分会更显著。
6. 最终，我们看到的浴缸里的水就是浅蓝色的。

举例说明：

想象你把一些蓝色的颜料滴入一盆清水中，如果水很少，你可能只看到淡淡的蓝色。但如果你将这盆水倒入一个白色的容器里，并且光线充足，你会发现那层淡淡的蓝色似乎被放大了，看起来比直接看清水盆里的颜料水更显眼。浴缸的白色表面起到了类似放大和增强颜色的作用。

反例：

在黑色或深色浴缸中： 如果浴缸是黑色或深色的，它会吸收大部分照射到它上面的光，而不是反射。这样一来，浴缸本身的颜色就会压制住水反射出来的颜色。即使水本身有微弱的蓝色效应，也可能被浴缸的深色所掩盖，水看起来就会更接近无色或接近浴缸本身的颜色。
水很浅或水质浑浊： 如果水很浅，光线与水分子相互作用的时间和距离都很短，吸收和散射效应不明显。如果水质非常浑浊，大量的浑浊颗粒会以更复杂的散射方式影响光的传播，可能导致水看起来呈浑浊的白色、灰色或其他颜色，而不是清澈的蓝色。

所以，浴缸里的水呈现浅蓝色，是水的固有光学特性（选择性吸收和散射）与浴缸的白色表面（反射和增强）共同作用的结果。

网友意见

原因很简单，也有点出乎意料之外——因为水的确是蓝色的！如果你家的浴缸足够深，你还能看到更深的蓝色——比如说大海那样蓝。先贴一个水的UV-Vis图谱证明我的结论^[1]：

大家一般都觉得，水明明是无色的啊！比如我用玻璃杯接了一杯水，看起来就是无色的。那只是因为一般生活中我们见到的水都太浅啦！所以蓝色不够明显。如果你有一个很深的游泳池，并且池内都是白色的瓷砖，那么当你灌上水之后，就能看到水是蓝色的。

为什么水是蓝色的呢？这是因为水会稍微吸收红色的光——这个吸收来自于水的分子振动。一般来说，分子振动在红外区域，不会在可见光区域吸收；但是如果多个分子振动模叠加在一起（overtone）就可以到可见光区域。比如气态水分子有三个振动模分别在3650、1595和3755波数（, , ）。在液态水中，比如5个振动模叠加起来（），其对应的吸收在660 nm^[2]，就是红光区域。其他的组合也会有不同的吸收波长，但是叠加的次数越多，发生的概率也会越低。而因为蓝光的能量更高，需要叠加的次数更多，因此蓝光区域的吸收远远低于红光区域的吸收^[3]。吸收了更多的其他颜色的光之后，就会显现出来蓝色；而因为吸收率还是相对较低的（因为是好几个振动模叠加在一起），所以颜色很浅很浅。

另外，家中浴缸的水容量能够满足能看到颜色的深度吗？从我贴出的UV－Vis数据来看，在700nm以上的吸收系数是3/m左右，所以对应的衰减长度（attenuation length）大约为33 cm。所以只要水深达到33 cm以上，就能看到很浅的蓝色；630 nm左右的吸收系数为0.3/m左右，所对应的衰减长度为3.3米。那么如果要有更明显的蓝色，则深度需要有3米以上。

总结：纯净的水本身就是蓝色的，平时你见到的水只不过因为量太少了蓝色太浅了看不出来。而你家的浴缸相对深一些，就可以看出浅蓝色了。如果能够有更大量的水，比如说大海，就能看到更深的蓝色（当然需要海水比较纯净）。

在我的另一个回答中，有很多人都在争论，大海是蓝色的到底是因为我所说的分子振动吸收，还是因为瑞利散射现象。我在此引用加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）对于海洋为什么是蓝色的科普页面^[4]。他们说：

The ocean is not blue because of scattering. Instead, the ocean is blue (as is pure water) because of selective absorption. Of the visible light, the longest visible wavelengths are absorbed most (red-orange, 600-700nm), then the medium-length visible wavelengths (yellow-green, 500-600nm) and last the short visible wavelengths (blue-violet, 400-500nm). This explains why very pure water, without many particles, appears deep blue.

我的简单翻译：海洋不是因为（瑞利）散射而呈现蓝色的；它呈现蓝色是因为其吸收光谱——这与水为何呈现蓝色是一样的原因。在可见光区域，长波长区域——红光和橙光——被吸收得最厉害，其次是中等波长的黄光和绿光，而短波长的蓝光和紫光则被吸收得最少。这也解释了为什么不含任何颗粒的非常纯净的水会表现出深蓝色。

另外，还有人认为海洋是反射的天空的蓝色所以呈蓝色的。一位海洋学教授的科普文中提到^[5]

A common misconception is that the ocean is blue due to the reflections from the sky on its surface. This is not true, but was believed to be so decades ago. The real reason the ocean is blue is because water, pure water, is blue.

我的简单翻译：一个关于海洋为何是蓝色的常见的误解是认为，大海表面反射了天空的蓝。数十年前大家都这么认为，但是我们今天知道这是不对的。真实原因是：大海是蓝色的，因为纯水是蓝色的。

所以UCSB和这位海洋学教授与我的解释是一样的——也就是说，大海是蓝色的，主要是因为本文中提到的分子振动overtone导致的可见光区域的吸收。

另外，新西兰的Blue Spring是目前自然界最纯净的溪水，呈现的正是蓝色^[6]。

我的其他关于水的回答：

参考

1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water#cite_note-PopeFry97-16
2. ^这个数值比实际的加合——606 nm——要稍微红移，这是由于形成了分子间氢键的缘故 https://en.wikipedia.org/wiki/Color_of_water
3. ^ Robin M. Pope and Edward S. Fry; Absorption spectrum ~380–700 nm! of pure water. II. Integrating cavity measurements
4. ^ http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=532
5. ^ http://ece.uprm.edu/~pol/OceanBlue.html
6. ^ https://www.dailymail.co.uk/news/article-3579244/The-New-Zealand-spring-crystal-clear-water-takes-100-years-filter-ground.html

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