九寨沟的水为什么是蓝色的？

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九寨沟风景区是许多游客熟悉的自然景观。这里的自然景观被称为人间天堂，对许多游客来说非常有吸引力。这就是为什么九寨沟的水是蓝色的。


巍峨的岷山山脉中隐藏着一个神秘的仙境。直到半个世纪前，其真实内容才逐渐为外人所知。汩汩的水流穿过群山和茂密的森林，形成一片迷人的蓝色海洋。


这里的湖泊就像一块块蓝色的翡翠，在阳光的照射下变幻出各种颜色，如梦如幻；这里的湖水犹如一面镜子，倒映着山川、河流、植被、蓝天、白云，呈现出“鸟在水中飞，鱼在天上游”的奇观。是九寨沟。


九寨沟五华海全景


五花海是九寨沟最著名的景点，有“九寨沟精华”的美誉。后海子的蓝与白雪相呼应，像一个童话世界。


五彩池是九寨沟色彩最丰富的海子之一，以美、色、清、透著称。五彩池也是九寨沟最精致的海子，被誉为“九寨之眼”。


九寨沟的水是耀眼的，是醉人的，但九寨沟的蓝是什么？你说蓝，我说翠蓝，他说湖蓝，她说翠蓝，真是把人家兰难住了(南)。嘿，不要让读者尴尬，好吗？


关于蓝色你不知道的事情


除了九寨沟，世界上还有许多著名的蓝色湖泊。比如美国犹他州的熊湖、克罗地亚的普利特威奇湖国家公园、冰岛的蓝湖温泉、澳大利亚南部甘比尔山脉的蓝泻湖、新西兰南岛的蒂卡波湖等。


看到这些水天相应的美，我只会感叹没有文化，哇，天好蓝，湖好蓝！然而，世界上有41种蓝色，如深蓝、钴蓝、道奇蓝和海军蓝。和口红号一样，每种蓝色都可以通过其色号或RGB值来区分。你可能知道红色，但你知道上面湖泊的蓝色吗？


潘通蓝色色卡


在上面提到的湖泊中，由于地理位置、生态环境条件和水化学性质的差异，每个湖泊的颜色都是不同的。


氧化钴


蓝湖温泉是冰岛最大的地热温泉，蓝湖的颜色呈现出一种类似牛奶的粉蓝色。据研究，蓝色泻湖的蓝色是由于温泉中存在一种特殊的蓝绿藻，而乳白色是由于水中含有大量的硅。


蒂芙尼蓝


卡波湖(LakeCapo)，位于新西兰南岛南阿尔卑斯山东麓，属于冰川湖，湖水的蓝色属于蒂芙尼蓝。至于湖水的颜色，其实是悬浮在湖中的岩石颗粒对太阳光的折射造成的。


土耳其玉色


熊湖和普利特威奇湖群呈现明亮的翠蓝色。雄湖和普利威奇湖群的颜色形成过程与碳酸钙颗粒有关。两个地区的地质成分主要是石灰岩，大量的钙镁离子溶解在湖水中。水中高浓度碳酸钙微悬浮颗粒对蓝绿色光的反射，使湖水呈现翠蓝色。


深蓝


蓝色泻湖(Bluelagoon)，位于澳大利亚南部的甘比尔山脉，被称为世界上最难(蓝)的湖。颜色会随着季节而变化。由于腐殖质对入射光的吸收，冬季湖水呈灰蓝色。夏季二氧化碳脱气和温度升高产生的方解石晶体与腐殖质有共沉淀作用，可以调节湖泊表面的腐殖质浓度。此外，方解石晶体本身有助于短波长光的散射，因此湖水的颜色会随着季节的变化由灰蓝色变为深蓝色。


九寨沟蓝(是哪种蓝？)


一般来说，不同的物体对光的反射、吸收和散射光不同，所以表现出不同的颜色。就像上面提到的各种湖泊一样，岩石颗粒、水溶性二氧化硅颗粒、胶体硫颗粒、胶体硅铝酸盐颗粒、冰川粉末等小尺寸颗粒的存在。使得湖水对太阳光具有独特的反射和散射特性，所以湖水会呈现蓝色。


九寨沟的湖泊大多属于喀斯特湖泊，水色的形成与湖水的低浊度和水中的碳酸钙颗粒有关。悬浮的碳酸钙颗粒对入射光的瑞利散射和米氏散射可以使湖水呈现蓝色，各个方向散射强度的差异、湖深和水质也赋予湖水多彩的蓝色。


我来告诉你九寨沟蓝是什么样的蓝。


虽然对喀斯特湖泊颜色的形成原因已有研究，但由于喀斯特地区特殊的水文系统和地理环境，湖泊颜色的形成机理复杂且难以研究。缺乏对九寨沟等高原喀斯特湖泊蓝色形成机制的研究，对湖泊呈现“彩蓝”的原因也没有科学合理的解释。


目前，孙庚团队研究生、中科院成都生物所研究员李晓辉等人通过高光谱设备和室内水化学分析方法，首次对九寨沟喀斯特湖泊颜色进行量化，揭示了九寨沟世界著名的蓝色喀斯特湖泊颜色形成机理，建立了湖泊水质与颜色的回归方程，合理解释了九寨沟湖泊呈现多彩蓝色的原因，并将方程应用于湖泊颜色预测。


来说说这个研究是怎么做的吧~


1.颜色也可以“量化”


为了解释九寨沟颜色的成因，研究者首先要对颜色进行量化。


在理解这个颜色量化的过程之前，有必要先说一下人眼是如何感知颜色的。


众所周知，颜色是眼睛和大脑对光线产生的视觉感受。白光可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光。因为人眼有红、绿、蓝三色的锥体细胞，所以我们对红、绿、蓝光最敏感。我们感知的大多数颜色都可以由红绿蓝三原色以不同的比例混合而成，这就是著名的“三色性理论”。不同颜色的物体，由于反射光形成的光谱特性分布不同，进入人眼，被三种锥体细胞选择性吸收。经过一系列的光化学反应，在大脑中形成物体的颜色。


人眼颜色感知原理示意图


看到这里，很多人可能会很困惑。这里有一个栗子的例子。


晴天或雨天，天空常常是蓝色的。这是因为此时大气中悬浮颗粒较少。在大气分子的强烈选择性散射下，蓝光从太阳光中散射出来，从而渗透到整个大气中。进入人眼中的蓝光占据了绝大多数，让我们觉得天是蓝的。


蓝天和海洋


研究人员基于人眼颜色感知理论，利用高光谱设备(ASDFieldSpec手持式2便携式地物光谱仪)测量了人眼可见范围(380nm-780nm)内各采样点的离水辐亮度(光穿过水体后返回大气界面的光谱辐射)数据。


基于色度学理论，在可见光范围内，通过数学积分推导出彩色三刺激XYZ。然后通过XYZ值计算出突出坐标(x，y)，根据CIE1931色度图可以确定每个采样点的颜色。


也可以通过Matlab软件计算矩阵运算后每个采样点的颜色RGB值。这样，通过模拟人眼感知颜色的过程，研究人员可以在测量湖水的光谱数据后，将复杂的湖水颜色量化为简单的颜色RGB值。这有利于颜色形成机理的后续研究，也为探索湖泊颜色与水质的关系奠定了坚实的基础。


以上原理是干货，下面是正上方的图！


湖泊测色过程示意图


湖泊颜色的定量确定过程可以看作是人眼感知颜色的过程。高ASD地物光谱仪可近似视为人眼接收入射光，复杂的积分和矩阵计算实际上是模拟人眼内的一系列光化学反应。


研究人员分析了湖泊的离水辐亮度数据后发现，九寨沟水体对可见光的吸收、反射和散射具有很强的波长选择性，反射光中蓝绿光的比例明显高于红光，这与湖泊独特的水环境条件密切相关，直接决定了人眼观察到的湖泊颜色。根据实测数据，五华海反射红、绿、蓝光的平均比例分别为9.2%、49.6%和41.2%。这种独特的反射光构成使得人眼观察到的湖水颜色呈现明亮的蓝绿色。


2.“隐藏”在水中的颜色秘密


为了探索湖水对可见光选择性反射和散射的原因，研究人员还采集了湖水样品进行室内水化学分析。


经过研究发现，九寨沟湖的浊度较低，除了另外一个点，大部分水域的浊度在0.69NTU左右，透明度极高。肉眼看，湖水几乎和怡保罐头一样。原因是九寨沟喀斯特湖泊水体主要由大气降水、山地融雪水和地下岩溶水补给，泥沙含量低，清洁度高。此外，九寨沟景区湖岸植被丰富，地表径流少，含沙量低，使得湖水浊度低，透明度极高。试想一下，如果湖里有大量的泥沙，它无论如何也呈现不出漂亮的蓝色。


光清楚是不够的。九寨沟独特的钙华颗粒是湖水颜色形成的关键。九寨沟湖水化学类型属于Ca2-HCO3-和Mg2-HCO3-型，水体富含Ca2和HCO3-，这些离子的浓度比一般高原湖泊高出数倍。如此高浓度的Ca2、HCO3-和碱性水环境使得湖水的方解石饱和指数(SIC)较高，即湖中存在大量碳酸钙颗粒。由于瑞利散射，这些钙华颗粒对可见光中的短波长光(380-570nm)具有强烈的选择性反射和散射作用。而且钙华沉积过程对磷酸盐等营养物质有固定作用，碳酸钙与水形成的胶体溶液也有溶解沉淀作用，可以吸附湖水中的悬浮杂质，净化水体，从而进一步降低湖水的浊度。钙颗粒的瑞利散射和太阳光的低浊度相互作用，使得湖水主要反射和散射短波长可见光，而人眼对可见光中的紫光不敏感，所以我们感知的湖水颜色以蓝绿色为主。


那么问题来了。如何解释湖的五彩斑斓的蓝色？由于瑞利散射，上述碳酸钙颗粒选择性地反射和散射可见光中波长较短的蓝绿色光。其实在瑞利散射的过程中，光在各个方向的散射强度也是不一样的，这就使得从不同的角度看，湖水在不同的深度呈现蓝色。同时，由于湖水透明度高，当湖水达到一定深度时，清洁度高的水选择性吸收红光等长波长可见光，主要反射短波长的蓝绿光。此时，湖水越深，人眼观察到的湖色越蓝。因此，在同一湖泊的不同水域，如果深度不同，那么湖水往往会呈现出不同程度的蓝色。除此之外，在不同的湖泊和季节，水质的差异会直接导致钙华沉积速率的变化，所以不同湖泊反射短波长蓝绿光的能力也是不同的。以上因素使得同沟不同湖、同湖不同水、同湖不同季节的蓝色程度不同。这就是九寨沟这种奇特的五彩湖泊景观形成的原因。


九寨沟喀斯特湖泊颜色形成机制示意图


碳酸钙与湖水形成的胶体溶液具有溶解沉淀作用，可以吸附湖水中的悬浮杂质，使湖水清澈透明；当湖水达到一定深度时，透明水体对红光等波长的入射光有很强的吸收作用，主要反射蓝绿光；此外，喀斯特湖泊中的碳酸钙颗粒对入射光有选择性的反射和散射，使得短波蓝绿色光进入人眼的比例较高，因此人眼感知湖泊为蓝绿色。


九寨沟五花海不同深度采样点的蓝色(来源：李晓辉)


纯水对750-760nm波长可见光的吸收率达到最大。当湖水到达一定深度时，湖水吸收大量的长波长红光，主要反射和散射蓝绿光。此时，湖水越深，颜色越蓝。


3.使用公式预测颜色


通过相关分析、冗余分析等分析方法，研究人员发现湖泊的颜色与水质的变化密切相关。为了进一步探索水质变化对湖泊颜色的可能影响，研究人员对水化学分析得到的水质数据和湖泊的RGB颜色数据进行了逐步线性回归分析，建立了九寨沟的水质-颜色方程：


方程中的自变量为透明度、离子浓度、电导率、溶解氧等水质指标，因变量为颜色R和B值。借助这个回归方程，可以通过测量湖水的水质来预测湖水的颜色变化。研究人员将2008年7月、8月和9月测得的水质数据代入方程，预测了九寨沟五花海、静海湖和犀牛湖的颜色变化。从预测结果可以直观地看出，随着季节的变化，湖水的颜色逐渐由蓝色变为绿色。


九寨沟湖的颜色预测


不要低估这个等式。未来或许可以通过监测湖泊水质的变化，进而预测湖泊颜色的变化，从而更好地保护九寨沟这个美丽的湖泊。类似的方法也适用于其他湖泊。


通过以上内容，你是否对九寨沟蓝湖有了更深入的了解？九寨沟是大自然赐予世界的宝藏。神奇的九寨沟有很多值得探索的秘密。保护她就是保护人类赖以生存的环境。


后记：最科研炫富——我在九寨沟划船。


在实验过程中，为了确定每个湖中不同采样点的颜色，研究人员往往需要划到湖中心采集水样和光谱数据。


你认为抽样是这样的：


然而，事实是这样的：


玩的时间总是短暂而美好的~一觉醒来就该搬砖了。


飘在九寨沟湖上的不一定是仙女，也可能是取样测量样品的科研人员。和人拼简历的时候，前面的人吹一句“我擦了熊猫屁股，拉了熊猫屎”；我只能写一首诗来表达我的骄傲：“我永远记得九寨的夕阳，却不知道我要去哪里。尽可能晚地回到船上，误入科学研究的深处”


参考资料：


1.李X，张M，肖W，杜J，盛M，朱D，普伦科维奇-莫拉依A，孙g.四川九寨沟自然保护区蓝色喀斯特湖泊的颜色形成机制[J].水，12(3):771-793


2.对蓝绿色和亮天蓝色淡水水体的研究。里面的地球环境。Sci。2016,6,119128.


3.迪森，H.M。库德拉河；瑞安，J.P。红色和黑色潮汐：浮游植物、有色溶解有机物和悬浮沉积物的离水辐射和感知颜色的定量分析。利默诺。海洋。2006,51,26462659.


4.刘亮.四川九寨沟国家级自然保护区钙华退化的影响因素[J].水，9(9):702


5.叶敏，李若英，屠维明，廖，蒲。悬浮泥沙水体景观色彩的定量评价方法[J].水，10(8):1042-1061


6.CastellnE，MartnezM，Madrigal-卡巴略S，AriasML，VargasWE，ChavarraM.胶体硅铝酸盐颗粒对光的散射产生了哥斯达黎加特诺里奥火山杂岩不寻常的天蓝色[J].PLOS一号，2013，8(9):e75165。


7.[1]大泽和，河村泰，高松n，游佐y。水硅胶的瑞利散射是热液水呈蓝色的原因[J]。火山学与地热研究杂志，2002,113(1):49-60。

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梧州市13664941066： 为什么九寨沟的水这么清澈这么蓝? - ？
蒙隶治糜：[答案] 上次记得去的时候,导游说是里面有各种矿物质,阳光反射,使得水面呈现出各种颜色.因为那里没有污染严重的工业,所以水特别清澈,所谓一方净土,就是九寨沟啦.

梧州市13664941066： 为什么九寨沟的水是蓝色的? - ？
蒙隶治糜： 湖水色彩的起因,主要源于湖水对太阳光的散射、反射和吸收.太阳光或自然光是由不同波长的单色光组合而成的复色 光,在光谱中,由红光至紫光,波长逐渐减小.九寨沟的湖水呈现艳丽的蓝绿色,说明湖水中短波长的散射远大于长波长,...

梧州市13664941066： 九寨沟的水为什么是蓝色的? - ？
蒙隶治糜： 受污染.

梧州市13664941066： 为什么九寨沟的水是蓝色的?？
蒙隶治糜： 九寨的水是蓝、绿、黑,加上秋天的叶子是红、黄的,由于水的深度不同,光线折射不一样,我刚去过,现在去会更漂亮.

梧州市13664941066： 九寨沟的水怎么那么蓝? ？
蒙隶治糜： 据说是因为水中含有碳酸钙质和硫化铜.

梧州市13664941066： 四川省九寨沟的水为什么会那么的蓝,没被污染是主要的,怎么还会有好... - ？
蒙隶治糜： 水中的矿物质含量所导致的.九寨沟的水含钙镁离子,属于高钙低钠,这类矿物质溶于水中后,使水源在接受和反射阳光时对光波反映不同.所以您看到的水色就不同.之所以呈现出不同的色泽,是因为钙镁离子含量高低不同.

梧州市13664941066： 那你解释看看九寨沟的水为什么会蓝?？
蒙隶治糜： 有了合适的距离和光线,看那里的水都是蓝色的,甚至我们这个星球都是蓝色的星球.

梧州市13664941066： 九寨沟的湖水为什么是蓝色的?？
蒙隶治糜： 水底是钙化的石灰岩

梧州市13664941066： 暑假期间,小明去九寨沟旅游,发现水大多是蓝色的,那是为什么呢?(1)小明猜测水中可能含有铜离子,于是他向工作人员要了一枚铁钉,放入水中,... - ？
蒙隶治糜：[答案] (1)因为水为蓝色,则猜测水中可能含有铜离子,铁钉与之反应一段时间后,若出现 有红色物质析出,溶液变成浅绿色现象,则证明水中含有铜离子. (2)若水中含有铜离子,加入氢氧化钠溶液,则会出现蓝色絮状沉淀. (3)考虑湖水蓝色是由于湖...

梧州市13664941066： 九寨沟水的颜色 - ？
蒙隶治糜： 这个是因为九寨沟的水中含有一部分特殊的矿物质分子,蒸发到空气里面的时候,阳光透过这些分子,像透镜一样,使蓝色光线穿透过来,所以看到的是蓝色的光,你可以用白色的纸试试,应该在白纸上显示的是蓝色