说到水，你会想到什么？清凉的饮料？延伸到地平线的深蓝色海洋？倒映群山的清澈湖泊？还是看起来又黑又浑浊的小池塘？有没有想过为什么有些湖泊是亮蓝色，而另一些湖泊则是绿色或棕色？答案在于光与微小颗粒、藻类和有机物的相互作用方式。这些自然线索可帮助科学家追踪污染并保护水生生态系统。
俄勒冈州的火山口湖看起来呈现亮蓝色，因为其水来自融化的雪，非常纯净。
有些水域可能看起来比其他水域更吸引人，尤其是那些看起来干净清澈的水域。不知不觉中，你就在运用科学，尤其是物理学、生物学和化学，来决定自己是否想在这些水域游泳。
水的颜色可以告诉我们很多关于水里有什么的信息。作为一名研究水资源的工程师，我使用颜色来帮助了解湖泊、河流和海滩的污染程度。通过分析水的外观，科学家可以确定它是否适合游泳、钓鱼或其他活动。
饮用水通常看起来很清澈，但池塘、河流和海洋中却充满了漂浮颗粒。它们可能是泥土、岩石、植物材料或其他物质的微小碎片。
这些颗粒物通常会在暴风雨期间被带入水中。任何落到地面但未渗入土壤的雨水都会变成径流，顺着山坡流下，直到流入开阔的水体，并在沿途带走松散的物质。
水中的粒子与照射在水面上的太阳辐射相互作用。粒子可以吸收这种辐射，也可以将其反射到不同的方向——这一过程称为散射。我们用眼睛看到的是从水面散射回来的辐射部分。它极大地影响了水在我们眼中的样子，包括它的颜色。
可见光只是电磁波谱的一小部分，电磁波谱包括所有类型的电磁辐射。在可见光范围内，不同波长的光会产生不同的颜色。
透过颜色看清水的清澈度和质量
根据水样中颗粒的性质，它们会吸收和散射不同波长的辐射。光的波长决定了我们眼睛看到的颜色。
含有大量沉积物的水域（例如绰号为“大泥泞”的密苏里河）会将光线散射到黄色至红色范围内。这使得水看起来呈橙色且浑浊。
更干净、更纯净的水会散射蓝色范围内的光，使其呈现蓝色。一个著名的例子是俄勒冈州的火山口湖，它位于火山口，由雨水和雪水滋养，没有任何溪流将沉积物带入其中。
火山口湖等深水区看起来是深蓝色的，但加勒比海许多岛屿周围的浅水区却非常清澈，呈现出淡蓝色或绿松石色。这是因为光线在白色的沙质底部反射。
当水中含有大量植物物质时，叶绿素（植物在叶子中产生的一种色素）会吸收蓝光并散射绿光。这种情况经常发生在接收大量来自高度开发地区的径流的水体中，例如佛罗里达州的奥基乔比湖。径流中含有来自农场和草坪的肥料，这些肥料由水中植物生长所需的营养物质组成。
最后，有些水中含有大量称为溶解色有机物的物质，通常来自腐烂的生物和植物，以及人类或动物的粪便。这种情况可能发生在动物众多的森林地区，或向溪流和河流排放废水的人口稠密地区。这种物质主要吸收辐射，并散射光谱中很少的光，因此它使水看起来很暗。
监测和管理水质
科学家认为自然界的水含有沉积物、叶绿素和有机物。这些物质有助于维持水中所有生物的生存，从微小的微生物到我们食用的鱼类。但好东西太多也会变成问题。
例如，当水中含有大量营养物质，在阳光明媚的日子里水温升高时，水中植物的生长就会失控。有时，这会导致有害藻华，有毒藻类的羽状物会使在水中游泳或食用来自水中的鱼的人生病。
当水体污染严重，威胁到鱼类和植物，或威胁到饮用水的人类时，州和联邦法律要求政府进行清理。水的颜色可以帮助指导这些工作。
工程学教授 Courtney Di Vittorio 和她的学生从北卡罗来纳州的高岩湖采集水样以评估其水质。
利用技术保障水安全
我和我的学生在北卡罗来纳州中部的一个游泳、划船和钓鱼的热门地点High Rock Lake采集水样。由于叶绿素含量高，藻华在那里更频繁地发生。居民和游客担心这些藻华会造成危害。
利用湖泊的卫星照片和我们的采样数据，我们可以绘制水质图。州政府官员利用这些地图来追踪叶绿素水平，并观察它们在空间和时间上的变化。这些信息可以帮助他们在出现藻华时向公众发出警告，并制定新的规则来使水更清洁。
作者：维克森林大学工程学助理教授 Courtney Di Vittorio。
改编自最初发表在《对话》杂志上的一篇文章。
