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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! "

Blau wie das Meer

H. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2020), S. 66

Mit tausend Augen blickte der Fluß ihn an,
mit grünen, mit weißen,
mit kristallnen, mit himmelsblauen
Hermann Hesse (1877–1962)

Im Alltag erscheint uns Wasser völlig transparent. Tatsächlich hat es eine blaue Eigenfarbe – doch die bemerkt man erst beim Blick durch dicke Schichten. Zusätzlich verändern Reflexionen und Schwebeteilchen den optischen Eindruck.

Ob man ein Glas mit Wasser aus der Leitung füllt oder ob man am Strand aus dem Meer schöpft – meist sieht die Flüssigkeit einfach transparent aus. Wie kommen also Meere, Seen und andere große Gewässer zu ihrer charakteristischen blauen Farbe? Da sie bei einem Sonnenuntergang außerdem gelb und rot schimmern, könnte man leicht denken, sie reflektierten lediglich das Himmelslicht und würden so »eingefärbt«.
Für diese These scheint zu sprechen: Selbst eine flache Pfütze nimmt, aus einiger Entfernung betrachtet, die Schattierung des jeweils gespiegelten Gegenstands an, seien es der blaue Himmel, die weißen Wolken oder die grünen Bäume. Die Reflexion verliert erst an Wirkung, wenn man sich nähert und von oben hineinblickt. Dann ist das Wasser wieder klar, und man sieht auf den Boden.
Allerdings wird diese Auffassung beispielsweise bei einem Besuch am Meer fraglich. Dort erlebt man selbst unter dem Grau eines bedeckten Himmels Blau-, Türkis- und Grüntöne. Letztere dominieren meist im flachen, strandnahen Bereich – offenbar durch Mischung mit dem Gelb des Sandbodens. Wo es tiefer wird, schwindet der Einfluss des Untergrunds, und das Blau wird satter und dunkler.
Offenbar bestimmen also mehrere Effekte gemeinsam die wahrgenommene Farbe. Schiffsreisende sehen etwas anderes als Flugzeugpassagiere aus zehn Kilometer Höhe, Küstenbereiche unterscheiden sich von der Tiefsee, und der Eindruck kann sogar je nach Jahreszeit und manchmal von Tag zu Tag wechseln.
Um die verschiedenen Einflüsse voneinander zu trennen, ist es sinnvoll, zunächst von reinem Wasser auszugehen. Es soll von weißem Sonnenlicht bestrahlt werden und tief genug sein, damit der Grund mit seiner Eigenfarbe keine Rolle spielt, weil ihn das Licht nicht erreicht. Die Wassermoleküle absorbieren vor allem rote Anteile des Spektrums. Der Effekt ist allerding so gering, dass man davon im alltäglichen Umgang nichts merkt. Bei Trinkgläsern und Badewannen haben wir es lediglich mit einigen zehn Zentimeter dicken Wasserkörpern zu tun; man müsste schon durch mehrere Meter hindurch blicken, um von dem übrig gebliebenen Blau etwas zu sehen. Für die Natur ist das geringe Absorptionsvermögen enorm wichtig – anderenfalls wäre das Leben von Tieren und Pflanzen, die auf Licht angewiesen sind, nur in einer kleinen Zone unter der Oberfläche möglich.
Erst wenn man reines Wasser in ein transparentes Rohr von einigen Metern Länge füllt, erscheint es beim Blick in Längsrichtung deutlich blau, während es von den Seiten betrachtet weiterhin farblos ist. In weiß gefliesten Schwimmbecken erkennt man manchmal an den Treppenstufen, wie die Blauanteile schrittweise zunehmen (siehe unteres Foto).
Die Absorption durch Wassermoleküle erklärt die Färbung beim Blick aus dem Wasser heraus in Richtung Lichtquelle, allerdings reicht sie allein nicht aus, um den Eindruck beim Blick von oben in die Tiefe zu verstehen. Denn die nicht absorbierten, kurzwelligen Komponenten müssen ja irgendwie von dort zurückkommen und in unsere Augen gelangen. Dafür sorgt diffuse Reflexion (Streuung) des verbleibenden Anteils des weißen Lichts. Erst sie lässt tiefes Wasser blau erscheinen.
Wasser ist in der Realität niemals ganz rein. Es enthält Schwebeteilchen, die das Licht streuen – und zwar wesentlich ausgeprägter als die Wassermoleküle selbst. So kommt das typische Blau des Meeres überhaupt erst zur Geltung. Reines, tiefes Wasser hätte eine sehr dunkle, vermutlich fast als schwarz wahrgenommene Färbung. Erst die intensive Streuung an herumschwimmenden Partikeln wirft das hindurch laufende Licht effektiv zurück in Richtung Oberfläche.
In küstennahen Regionen ist die Konzentration etwa von trübendem Sand, Kalk, Ton oder Plankton besonders groß. Das macht das Meeresblau dort nicht nur wesentlich heller, sondern verschiebt es zudem in den grünen Spektralbereich. Dazu trägt die gelbliche oder bräunliche Eigenfarbe der Teilchen wesentlich bei. Oft sind die Wege zwischen den Streuereignissen so gering, dass das Licht wieder aus dem Wasser herausläuft, bevor die Absorption Wirkung zeigt. So ist an den schlickreichen Wattstränden der Nordsee vom intrinsischen Meeresblau kaum noch etwas zu erkennen.
Der Einfluss der Tiefe auf die Farbe lässt sich schön verfolgen, wenn man mit einem Boot oder Flugzeug vom blauen Meer der Küste näherkommt. Man kann die Änderungen aber auch schon beim Schwimmen mit Hilfe einer Taucherbrille sehen.
Nicht nur feste Objekte streuen Licht; winzige Gasbläschen wirken sich ebenfalls auf die Farbe aus. Besonders eindrucksvoll zeigt sich das an der weißen Gischt brechender Wellen.
Die gleiche Absorption längerer Wellenlängen gibt es bei Wasser in seiner festen Form. An sich ist es ebenfalls blau, was sich bei Löchern in dicken Schneeschichten sowie an Eisbergen oder Gletschern erkennen lässt. Aber nur, wenn nicht eingeschlossene Luft das Licht vorzeitig wieder heraus streut – und das Eis dadurch glänzend weiß strahlt.

PDF: Blau wie das Meer


Ich möchte mich bei dieser Gelegenheit herzlich bei Ulli Gau für die Überlassung des oberen Fotos bedanken.

Diskussionen

5 Gedanken zu “Blau wie das Meer

  1. Wieder sehr instruktiv und essentiell. Gerade solche Phänomene, mit denen wir im Alltag zu tun haben und die uns nicht verborgen bleiben, hilft doch ein Blick auf die Hintergründe sehr, wie ich meine.

    Ich hatte mir das ab „Um die verschiedenen Einflüsse voneinander zu trennen…“ ausgedruckt, um mit dem Text etwas zu arbeiten. Das ist m.E. einen gute Methode.

    Herzlichen Dank!

    Verfasst von kopfundgestalt | 3. März 2020, 20:56

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