7. decembra 2021
voda

Ak je voda bezfarená, prečo je more modré?

Na chémii nás učili: „Voda je bezfarebná kvapalina bez chuti a zápachu.“ Prečo sa nám potom voda spája s modrou farbou?

Hoci sa nám kvapka vody môže zdať pokojná, vo vnútri to riadne žije. Všetky molekuly sa neustále pohybujú, narážajú do seba a každá z nich si pri tom vibruje ako pružina. Sú to práve tieto vibrácie, ktoré hrajú vo farbe vody hlavnú úlohu. Každá molekula totiž má na výber len niekoľko rôznych pohybov, vibračných módov, ktoré môže vykonávať.

Molekula by svoje pohyby občas aj rada vystriedala, ale takáto zmena stavu typicky nie je zadarmo. Stojí to energiu, ktorú si treba uchmatnúť z nejakého zdroja – napríklad zo žiarenia, ktoré do vody dopadá. Slnečné lúče nesú balíček vĺn celého spektra energií, avšak problémom je, že na rozdiel energií treba zaplatit’ presne a na to vyhovujú len určité vlnové dĺžky žiarenia. Zhodou okolností, jedna z vlnových dĺžok, ktorá vode vyhovuje, sa nachádza v oblasti spektra, ktorú naše oči vnímajú ako červené svetlo.

Molekula vody sa touto zložkou žiarenia raz za čas nadopuje, veselo si zavibruje a potom sa vráti do pôvodného stavu, pričom nadbytočnej energie sa zbaví vo forme tepla. Za určitých podmienok vie molekula vody absorbovat’ aj oranžové alebo žlté svetlo, no to sa deje o niečo vzácnejšie. Zelené jej veľmi nechutí, modré je zas energeticky priveľké sústo.

Ak vodou prejde lúč slnečného svetla, časť molekúl vody podľahne vibračným zmenám, čo si žiada preferenčnú absorbciu vyššie spomenutých vlnových dĺžok. Lúč, ktorý z vody vychádza a smeruje do nášho oka je teda v modrej zložke takmer nezmenený a je ochudobnený o zelené a trochu viac o červené zložky. Čím viac molekúl vody lúč stretne, tým viac sa z jeho intenzity môže stratiť – výsledná farba vody, ktorú vidíme je preto závislá na dĺžke optickej dráhy, ktorú lúč vodou prejde.

Voda v pohári, kde je optická dráha krátka, sa nám zdá číra, pretože naše oči nie sú dosť citlivé aby zachytili prevahu modrých zložiek, ktorá je len veľmi malá. V akváriu je dráha už dosť dlhá, my vidíme úbytok červenej, a v našom oku sú stimulované najmä receptory citlivé na modrú a zelenú, a teda voda sa nám zdá tyrkysová. Pri ešte dlhšej dráhe, ako naprı́klad pri pohľade do mora, sa v lúči utlmí aj zelená zložka a my vidíme sýtu modrú.

Tri grafy pre tri rôzne dĺžky optické dráhy vo vode – zhora nadol 10 cm, 1 m a 10 m. Horizontálna os sú rôzne vlnové dĺžky viditeľného svetla. Vertikálna os je priepustnosť pre danú vlnovú dĺžku, t.j. akú intenzitu má lúč ktorý prejde vodou ak lúč ktorý vstupoval do vody mal 100%. Zdroj wiki.
Tri grafy pre tri rôzne dĺžky optické dráhy vo vode – zhora nadol 10 cm, 1 m a 10 m. Horizontálna os sú rôzne vlnové dĺžky viditeľného svetla. Vertikálna os je priepustnosť pre danú vlnovú dĺžku, t.j. akú intenzitu má lúč ktorý prejde vodou ak lúč ktorý vstupoval do vody mal 100%. Zdroj wiki.

Zaujímavý experiment, ktorý potvrdzuje fyzikálnu podstatu tohto javu, spočíva v porovnaní vody s takzvanou ťažkou vodou. To je voda so vzorcom D2O namiesto H2O. Vodíky sú nahradené deutérium, čo je izotop vodíka, teda je to stále vodík, len s trochu inou štruktúrou atómového jadra. Ťažká voda je stále voda, drvivá väčšina chemických aj biologických vlastností je rovnaká, je tu však pár rozdielov. Jedným z nich je, že tažká voda má, ako názov napovedá, molekuly vyššej hmotnosti, ktorých vibrovanie je trochu ťažkopádnejšie a zmena stavov je lacnejšia. Ťažká voda si preto vystačí aj s diétnejšími vlnovými dĺžkami než je červené svetlo. Z viditeľného spektra neabsorbuje takmer nič a preto je ťažká voda číra aj pri hĺbkach, kde je bežná voda už modrá.

Niekoľkometrová trubica s ľahkou (modrou) vodu vľavo a ťažkou (čírou) vodou vpravo. Zdroj Charles L. Braun and Sergei N. Smirnov. Why is water blue? Journal of Chemical Education, 70(8):612, 1993.
Niekoľkometrová trubica s ľahkou (modrou) vodu vľavo a ťažkou (čírou) vodou vpravo. Zdroj.

Na koniec zostáva povedať, že „skutočná farba“ vody v prı́rode sa častokrát môže javiť iná, než tyrkysovo-modrá, pretože do hry vstupujú aj iné efekty, ktoré sme zatiaľ zamlčali – naprı́klad rozptyl svetla vo vode alebo tiež odraz rozptýleného svetla z atmosféry. Voda v prı́rode tiež nie je čistá, obsahuje minerály a ióny kovov, ktoré môžu pridávat’ odtiene zelenej (meď) alebo červenej (železo). Na farbe sa tiež podpíšu zelené riasy alebo mikročastice prachu. Úplne samostatnou kategóriou je fyzika farby ľadu, o ktorej sa snáď dá napísať aj celá kniha. Absorpciu svetla kvapalnou vodou si tiež netreba zamienať s Rayleighovym rozptylom, ktorý je zodpovedný za modrú farbu oblohy. Nie je modrá ako modrá a podstata týchto dvoch modrých je úplne iná. O tom ale niekedy inokedy.

[Roman]

Pridaj komentár