說到水，你會想到什麼？清涼的飲料？延伸到地平線的深藍色海洋？倒映山巒的清澈湖泊？還是看起來又黑又混濁的小池塘？有沒有想過為什麼有些湖泊是亮藍色，而有些湖泊則是綠色或棕色？答案在於光與微小顆粒、藻類和有機物的相互作用方式。這些自然線索可幫助科學家追蹤污染並保護水生生態系統。

俄勒岡州的火山口湖看起來呈現亮藍色，因為其水來自融化的雪，非常純淨。

有些水域可能看起來比其他水域更吸引人，尤其是那些看起來乾淨清澈的水域。不知不覺中，你正在運用科學，尤其是物理、生物學和化學，來決定自己是否想在這些水域游泳。

水的顏色可以告訴我們很多關於水裡有什麼的資訊。作為一名研究水資源的工程師，我使用顏色來幫助了解湖泊、河流和海灘的污染程度。透過分析水的外觀，科學家可以確定它是否適合游泳、釣魚或其他活動。

飲用水通常看起來很清澈，但池塘、河流和海洋中卻充滿了漂浮顆粒。它們可能是泥土、岩石、植物材料或其他物質的微小碎片。

這些顆粒物通常會在暴風雨期間被帶入水中。任何落到地面但未滲入土壤的雨水都會變成徑流，順著山坡流下，直到流入開闊的水體，並在沿途帶走鬆散的物質。

水中的粒子與照射在水面上的太陽輻射相互作用。粒子可以吸收這種輻射，也可以將其反射到不同的方向——這個過程稱為散射。我們用眼睛看到的是從水面散射回來的輻射部分。它極大地影響了水在我們眼中的樣子，包括它的顏色。

可見光只是電磁波譜的一小部分，電磁波譜包括所有類型的電磁輻射。在可見光範圍內，不同波長的光會產生不同的顏色。

透過顏色看清水的清澈度和質量

根據水樣本中顆粒的性質，它們會吸收和散射不同波長的輻射。光的波長決定了我們眼睛所看到的顏色。

含有大量沉積物的水域（例如綽號為“大泥濘”的密蘇里河）會將光線散射到黃色至紅色範圍內。這使得水看起來呈現橙色且渾濁。

更乾淨、更純淨的水會散射藍色範圍內的光，使其呈現藍色。一個著名的例子是俄勒岡州的火山口湖，它位於火山口，由雨水和雪水滋養，沒有任何溪流將沉積物帶入其中。

火山口湖等深水區看起來是深藍色的，但加勒比海許多島嶼周圍的淺水區非常清澈，呈現出淡藍色或綠松石色。這是因為光線在白色的沙底反射。

當水中含有大量植物物質時，葉綠素（植物在葉子中產生的一種色素）會吸收藍光並散射綠光。這種情況經常發生在接收大量來自高度開發地區的徑流的水體中，例如佛羅裡達州的奧基喬比湖。徑流中含有來自農場和草坪的肥料，這些肥料由水中植物生長所需的營養物質組成。

最後，有些水中含有大量稱為溶解色有機物的物質，通常來自腐爛的生物和植物，以及人類或動物的糞便。這種情況可能發生在動物眾多的森林地區，或向溪流和河流排放廢水的人口稠密地區。這種物質主要吸收輻射，並散射光譜中很少的光，因此它使水看起來很暗。

監測和管理水質

科學家認為自然界的水含有沉積物、葉綠素和有機物。這些物質有助於維持水中所有生物的生存，從微小的微生物到我們所吃的魚類。但好東西太多也會變成問題。

例如，當水中含有大量營養物質，在陽光明媚的日子裡水溫升高時，水中植物的生長就會失控。有時，這會導致有害藻華，有毒藻類的羽狀物會使在水中游泳或食用來自水中的魚的人生病。

當水體污染嚴重，威脅魚類和植物，或威脅飲用水的人類時，州和聯邦法律要求政府清理。水的顏色可以幫助指導這些工作。

工程學教授Courtney Di Vittorio 和她的學生從北卡羅來納州的高岩湖採集水樣本以評估其水質。

利用科技保障水安全

我和我的學生在北卡羅來納州中部的一個游泳、划船和釣魚的熱門地點High Rock Lake採集水樣本。由於葉綠素含量高，藻華在那裡更頻繁地發生。居民和遊客擔心這些藻華會造成危害。

利用湖泊的衛星照片和我們的採樣數據，我們可以繪製水質圖。州政府官員利用這些地圖來追蹤葉綠素水平，並觀察它們在空間和時間上的變化。這些資訊可以幫助他們在出現藻華時向公眾發出警告，並制定新的規則來使水更乾淨。

作者：維克森林大學工程學助理教授Courtney Di Vittorio。

改編自最初發表在《對話》雜誌上的一篇文章。