8. Цвет воды
Представьте, что вы сидите на лодке в море, и друг задает вам следующий вопрос:
"Какого цвета море?"
Вы оглядываетесь вокруг, проверяя, настолько ли глупый вопрос, насколько он звучит, и уверенно отвечаете: "Синее. Нет, подожди минутку... Зеленое... Или, может быть, серый".
В этот момент ваш друг наклоняется, окунает стакан в море, достает его и ставит перед вами. Вы смотрите на стакан с совершенно прозрачной жидкостью и недолго размышляете о своем выборе друзей. Затем вы вспоминаете цвет воды в ваших любимых реках, озерах и на побережье и понимаете, что все они немного отличаются друг от друга.
Разнообразие цветов, которые мы видим, глядя на воду, - одна из причин нашей любви к ней, но гораздо больше людей наслаждаются этим разнообразием, чем задумываются о его причинах. Кельты, безусловно, оценили трудность попытки описать цвет воды. Они обманывали себя, используя приставку "гласто-" для обозначения синего/зеленого/серого цвета.
В понимании цвета воды есть несколько составляющих. Каждая из них очень проста, если рассматривать ее отдельно, но вместе они сбивают людей с толку и делают предмет гораздо более сложным, чем он есть на самом деле. Мы рассмотрим следующие четыре области: что находится под водой, что находится в воде, что находится на воде и влияние света. Последнюю из них, взаимосвязь между светом и водой, мы начнем рассматривать в этой главе, а затем, поскольку это глубокая, богатая и увлекательная область, мы будем изучать ее дальше в следующей главе.
Цвета, которые мы видим в воде, зависят от яркости и угла падения света, глубины воды, а также от того, что находится на воде, в воде и под водой.
Первое, на что следует обратить внимание, пытаясь понять, какие цвета вы видите в воде, - это выяснить, смотрите ли вы на воду вообще или на отражение; иногда это очевидно, но не всегда. Встаньте над лужей и посмотрите в нее прямо сверху, и если вода прозрачная, вы сможете увидеть несколько вещей. Вы можете увидеть свое собственное отражение, землю под лужей или частицы коричневой грязи, клубящиеся в воде, особенно если кто-то только что прошел по ней. Каждый из этих видов по-своему важен, но первое, о чем следует помнить, это то, что когда мы смотрим в воду, у нас есть выбор, на чем сосредоточиться, и это потому, что мы смотрим на нее с высокого угла, почти вертикально.
Однако если вы отойдете от лужи на двадцать шагов и посмотрите на нее, вы не увидите ни грязи, ни земли под ней; более того, вы не увидите и самой воды, потому что все, что вы увидите, - это отражения того, что находится под тем же углом, под которым вы смотрите, на другой стороне. Мы вообще не можем видеть воду, если смотрим на нее под низким, скользящим углом. Это очень важно, когда мы думаем о цвете воды, потому что во многих обстоятельствах, когда мы думаем, что смотрим на воду, мы на самом деле смотрим на что-то другое и вдалеке. Отличным примером является взгляд на море вдалеке: На то, что мы видим в этой ситуации, доминирует отражение неба, находящегося еще дальше вдали. Вот почему далекое море кажется голубым в хорошую погоду и серым в пасмурные дни.
Смотреть в лужу или смотреть на море - это две крайности, и легко предсказать, что мы увидим в этих ситуациях. Но все становится немного сложнее, когда мы смотрим на воду, которая находится как рядом с нами, так и немного дальше. Когда мы стоим на берегу широкой реки, мы можем видеть, по крайней мере, часть пути вниз в ближайшую к нашим ногам воду, но мы будем видеть только отражения от воды на дальнем берегу. Именно поэтому цвета на разных берегах часто выглядят совершенно по-разному. Вы заметите это, если будете искать, но не заметите, если не будете искать, потому что наш мозг привык к этому эффекту и не воспринимает его как нечто необычное.
Попробуйте медленно сканировать глазами от одного берега реки к другому и посмотрите, сможете ли вы найти область, где происходит переход от созерцания только отражений - дальнего берега - к возможности видеть воду (легче всего оценить этот эффект, если вода в реке достаточно прозрачная). Этот переход не произойдет в одном точном месте, так как на него влияет несколько факторов, включая угол и количество света, идущего сверху и извне. Вы должны быть в состоянии заметить, что есть участок, где сдвиг происходит довольно резко (обычно он составляет от 20 до 30 градусов или на два или три размера вытянутого кулака ниже горизонтали).
Мы можем видеть рыбу А, но вместо рыбы Б видим деревья.
Самый простой эксперимент, который только можно себе представить, докажет, что существует фундаментальная взаимосвязь между светом и цветом воды, которую мы видим. В темное время суток поставьте перед собой стакан с водой, затем выключите свет, и стакан с водой исчезнет вместе со всем остальным в комнате. Цвет воды - черный! Это звучит настолько смехотворно очевидно, что почти бессмысленно, но смысл есть, и он заключается в следующем: Без света, падающего на воду, она вообще не имеет цвета. Свет придает воде цвет.
Все становится гораздо более интригующим, когда вы сравниваете цвет воды в стакане с цветом воды в ванной. Если ваша ванна просто белая, попробуйте наполнить ее до глубины в пару дюймов, а затем загляните внутрь. Вы увидите, что она кажется абсолютно бесцветной и прозрачной, как стакан с водой. Теперь продолжайте наполнять ванну, пока она не станет настолько глубокой, насколько это разумно. Если вы посмотрите на эту чуть более глубокую воду, сможете ли вы увидеть, что в ней появился слабый голубой оттенок? Этот голубой оттенок в воде ванны - причина того, что мы видим голубое море, когда смотрим с лодки в глубокую прозрачную воду.
Чистая вода не окрашена, но она поглощает некоторые цвета. Когда белый свет падает на воду, часть его отражается, а часть поглощается молекулами воды. Белый свет, попадающий в воду, состоит из всех цветов радуги, и цвета поглощаются не одинаково. Красные, оранжевые и желтые цвета поглощаются водой больше, чем синие. В результате, чем больше воды, через которую проходит белый свет, тем более синим он будет казаться, когда снова появится на свет. Вы когда-нибудь замечали, как белый предмет, опущенный в, казалось бы, чистую и глубокую воду, становится синим, а затем исчезает? Если вы вытащите белую пробку со дна глубокой ванны, то произойдет обратное - она из тускло-голубой превратится в белую.
По мере увеличения масштаба от ванны до бассейна увеличивается количество воды, через которую проходит свет, и поэтому поглощается больше красно-желтых цветов, поэтому мы считаем бассейны светло-голубыми, даже если дно белое. Ученые вычислили точный цвет, который может пройти через воду на наибольшее расстояние без поглощения: это сине-зеленый цвет (они даже вычислили его длину волны: 480 нанометров).
Следующая область, которую необходимо рассмотреть, - это то, что находится под водой, на которую вы смотрите. Эксперимент с ванной лучше всего работает, если у вас обычная белая ванна, по той простой причине, что на мелководье все, что находится под водой, оказывает огромное влияние на цвета, которые мы видим, когда смотрим на воду над ней. На пляже вы наверняка замечали, как темнеет вода от места, где волны разбиваются о берег, до более глубокого моря вдали. Но мы также привыкли к тому, что вода на каждом пляже выглядит уникально, со своей фирменной гаммой цветов. Это происходит потому, что морское дно окрашивает воду, и чем мельче вода, тем большее влияние оно оказывает.
Если вы находитесь на пляже с белым песком, то самая мелкая вода, где она едва покрывает ваши ноги, будет казаться белой, но недалеко от вас будет вода очень светло-голубого цвета, еще дальше - чуть более темного оттенка голубого, и по мере удаления от берега цвет темнеет, пока осветление от песка вообще не станет фактором.
На пляжах с золотистым песком или галькой вы увидите тот же эффект, но цвет будет ближе к сине-зеленому или бирюзовому, где смешиваются желтый и синий, и он будет переходить от самых светлых оттенков к самым темным с глубиной. Что касается морского дна, то это простой случай смешивания цветов, как на палитре; чем глубже вода, тем больше синего цвета добавляется, а на мелководье больше цвета морского дна.
Теперь мы готовы объединить три эффекта. Если вы стоите в море по щиколотку, вы сможете сами смешать цветовую палитру. Поэкспериментируйте, глядя прямо вниз, на несколько футов перед собой и дальше, и попробуйте отсеять цвета в зависимости от синего оттенка воды, оттенка дна и отражений от неба.
В солнечный день с россыпью кучевых облаков, проносящихся по небу - пушистых овечьих облаков - у вас будет прекрасная возможность наблюдать, как небо влияет на цвет воды, которую вы видите. Обратите внимание, насколько ближе к голубому цвету вода при полном солнечном свете по сравнению с водой под тенью облака. Этот эффект настолько драматичен, что многие люди путают тени облаков на воде с чем-то большим, происходящим под водой; очень часто люди думают, что должно быть внезапное изменение глубины или даже огромная косяк рыбы, но если проявить терпение, то можно наблюдать, как эти более темные, менее синие пятна идут в тандеме со своим родительским облаком.
Если вы не уверены, попробуйте провести линию от солнца через небольшое облако вниз к воде. Сложно точно определить, на каком расстоянии от вас будет падать тень, но этот метод, по крайней мере, поможет вам смотреть в правильном направлении. Кроме того, если вы заметили одно из этих темных пятен, вы можете провести линию вверх к солнцу, и если это тень облака, то где-то на этой линии должно быть облако. Странное удовлетворение доставляет распознавание формы тени на воде по форме ее родительского облака.
Научиться распознавать, является ли изменение цвета воды подсказкой к изменениям под водой или в небе, - это искусство, которое можно совершенствовать в течение многих лет. А во многих частях света, например, в Тихом океане, это искусство становится очень практичным. Там, где лодки перемещаются между коралловыми атоллами, лучшая карта, которую может иметь лодка, - это цвет воды вокруг. GPS вместе с новейшими электронными картами все равно не в состоянии победить знающего местного шкипера, чьи глаза настроены на малейшее свечение голубой воды. Даже электронный глубиномер, например, эхолот, жалок по сравнению с этими цветовыми изменениями, поскольку он обычно может только измерить глубину под лодкой, но не сказать вам, как меняется глубина вокруг вас. А электронные карты коралловых атоллов все еще очень расплывчаты и неточны по сравнению с изменениями цвета.
После многих лет практики навигаторы в этих районах могут выбрать канал через коварные рифы, просто по тонкой линии темно-синего цвета через различные оттенки бирюзового. В 1880-х годах одного рыбака спросили о навигации в Северном море, и он заметил:
Нет ничего проще в мире, когда выучил урок, чем прокладывать себе путь в Северном море, ориентируясь только на глубину воды и характер дна. Разница между цветом моря на глубоководье и мелководье привела к распространенному морскому выражению "плавание в синей воде". Если кто-то говорит, что он моряк с синей водой, то это не совсем романтично или глупо, как звучит; это ссылка на плавание в глубокой воде, обычно трансокеанское плавание. "Коричневая вода" сейчас используется не так часто, но она относится к более мелкой воде, при этом принято считать, что коричневая вода - это море глубиной до 100 саженей, а голубая вода - все, что больше.
Если вы заметили изменение цвета моря, и оно оказалось длительным и неподвижным, что позволяет исключить облака или изменение освещенности, то это признак того, что в грунте под морем действительно есть разница. Если неясно, что это такое, придется немного поработать детективом; местные моряки, скорее всего, смогут дать ответ, но вы также можете немного поработать детективом, получив в свое распоряжение местные карты для данного района, либо в бумажном формате, либо в Интернете. Если это ваш местный или любимый участок побережья, то покупка местной карты - стоящая инвестиция, поскольку она расскажет вам так много и объяснит так много тонких изменений в цвете, которые в противном случае могли бы дразнить годами. Несколько разрозненных букв на карте, "S" - "песок", "Sh" - "ракушки", "M" - "ил", "Wd" - "сорняк" и довольно замечательное "Oz" - "ил", раскроют природу морского дна - критически важное знание для любого судна, желающего бросить якорь, - и это поможет раскрыть многие загадки цвета моря.
Во время недавнего визита на остров Пурбек, расположенный вдоль Ла-Манша в Дорсете, я провел время, медленно прогуливаясь вокруг места под названием Голубой бассейн. В то солнечное утро, когда я был там, вода менялась от яркого бирюзового до более обычного темно-сине-зеленого, а в тени деревьев - до гораздо более темного озерно-зеленого цвета. Бассейн получил такое название, потому что цвет воды выделяется. Он отличается от всех других озер и моря, расположенных поблизости. Но поскольку дно многих других местных озер похоже, их глубина сопоставима, и над ними одно и то же небо, причину такой особой голубизны нужно искать в каком-то другом объяснении.
Кошачьи лапы на Голубом бассейне в Дорсете на юго-западе Англии.
Голубой бассейн - это заброшенный глиняный карьер, и именно частицы глины, находящиеся во взвешенном состоянии в воде, придают ему такие манящие цвета. Менее манящая Красная река в Корнуолле на юго-западе Англии получила свое название из-за богатых железом хвостов, которые вымывались во времена расцвета добычи олова в этом регионе. Этот красный цвет ушел из воды сейчас, когда горнодобывающая промышленность закрылась, что стало хорошей новостью для дикой природы, если не для шахтеров, поскольку для природы было слишком токсично процветать в красной воде.
В любой воде, которую вы видите на улице, есть какие-то частицы, даже в самых чистых источниках воды, а в самых диких озерах - миллионы крошечных частиц как в воде, так и на воде. Водоросли, бактерии, пыль, пыльца и другие вещества будут находиться там и придавать воде цвет, иногда незаметно, иногда резко. Я помню, как недавно смотрел в окно, когда самолет набирал высоту вскоре после взлета из Хитроу. Под крылом были озера, которые были слишком симметричными, со слишком большим количеством прямых линий, чтобы быть полностью естественными. Меня поразило то, что одно из озер было ярко-зеленого цвета, а другие - нет. Ярко-зеленое озеро находилось ближе к соседней ферме, что объясняло цветовую аномалию.
Всякий раз, когда тихая вода озер или прудов страдает от того, что ученые называют "эвтрофикацией", что означает чрезмерное обогащение питательными веществами, нежная экосистема опрокидывается. Водорослям для процветания необходимы три вещи: вода, солнечный свет и питательные вещества, и если они получают все эти три составляющие в том количестве, которое им нравится, то они начинают цвести, полностью меняя цвет воды.
Цветение водорослей не просто меняет цвет озера или пруда; оно влияет на всю экосистему, резко уменьшая количество света, проникающего в воду, и потребляя большое количество растворенного в воде кислорода, что может привести к гибели рыбы и других организмов. На эти ярко-зеленые воды интересно смотреть, но они не являются самой здоровой средой обитания для растений и животных. Большинство людей считают их непривлекательными для купания, поскольку инстинктивно ощущают их как нечистые и нездоровые, и действительно, они могут быть токсичными.
В некоторых частях света водоросли демонстрируют более яркую картину. Амазонка местами имеет желтый цвет, а возле Манауса в Бразилии эта желтая вода встречается и смешивается с красновато-черной водой Рио-Негро, создавая яркую картину. Каждый цвет является результатом наличия в воде рек различных частиц и водорослей. Одна конкретная водоросль, Dunaliella salina, окрашивает некоторые соленые озера, такие как озеро Хиллер в Австралии или озеро Ретба в Сенегале, в невероятно яркий розовый цвет. "Красный прилив" - это название ряда цветений водорослей, которые меняют цвет моря на красный или красно-коричневый. Считается, что они вызваны колебаниями уровня питательных веществ и температуры и потенциально токсичны для морских обитателей и людей.
На противоположном конце шкалы, если вода является «олиготрофной», то есть с очень низким содержанием питательных веществ, она будет особенно чистой и привлекательной, поскольку водоросли не могут развиваться. Одним из самых ярких примеров этого является Средиземное море, в котором особенно мало питательных веществ, что приводит к очень низкому уровню водорослей и кристально чистой воде, в которой многие любят отдыхать и купаться.
Темная кислая почва часто содержит прозрачную олиготрофную воду.
Многие частицы, которые мы видим в воде, являются неорганическими, это смесь грязи, песка, глины, ила, мела и других веществ, каждое из которых влияет на цвет, который мы видим. Это типично для равнинных рек, где движение воды постоянно взбивает грязь и ил с берегов и делает воду непрозрачной, светло-коричневого цвета. Если вы увидите приток, впадающий в ручей или реку другого размера, сравните их цвет и вы увидите, что они редко бывают одинаковыми, так как их путь и, следовательно, частицы, которые они подняли, были разными. На Борнео я провел время с даяками и стал свидетелем их способности читать мельчайшие детали в реках - они распознают изменения цвета в местах слияния ручьев так же четко, как мы читаем дорожные знаки.
Некоторые озера, питаемые ледниками, приобретают яркий, светлый пастельно-голубой цвет из-за того, что в воде содержится нечто, известное как "каменная мука" - мелкие частицы горных пород, которые были тонко измельчены пестиком и ступкой ледника и затем попали в озеро. Эти необычные воды можно встретить везде, где есть ледники, в том числе в Канаде и Норвегии, и они здоровы, несмотря на свой яркий вид.
Если у вас будет возможность, изучите море вблизи берега до и после шторма. Сильное волнение часто вздымает морское дно и придает воде новый цвет, который исчезает в течение дня.
На цвета, которые мы видим, иногда влияет и то, что лежит на поверхности воды. Переливчатость нефтяных пятен делает тревожными сводки новостей, но мы можем заметить те же оптические эффекты от органических масел на поверхности чашки чая (это проще сделать в чае без молока и стоя лицом к свету, опустив глаза). Масло, пыль и многие другие временные гости на поверхности воды изменяют ее таким образом, что обычно считаются нежелательными, но есть один частый гость на поверхности воды, который считается красивым.
И греческая, и римская богини любви Афродита и Венера появились из пены морской; этот мифический момент запечатлел Боттичелли на своей картине "Рождение Венеры". Подобно папарацци, заглядывающему в самые приватные моменты жизни классической богини, Боттичелли дает нам возможность заглянуть в то, что можно только вообразить. Но Боттичелли не включил в свою картину то, что пена, согласно Гесиоду, была результатом того, что гениталии Урана были отрезаны Кроносом и брошены в море. Если отвлечься от немного грязной мифологии, то наука, лежащая в основе пены, приносит свои плоды.
Пена придает цвет более быстрым участкам рек и морей при сильном ветре или разбивающихся волнах, что создает впечатление повседневности, и в некотором смысле так оно и есть, если вы находитесь на Земле. Ученые считают, что Земля может быть единственным местом в Солнечной системе, где вода дует на открытую воду, создавая пенистые волны.
Мы знаем, что пена, которую мы видим, обычно белая, хотя вода не такая. На самом деле пена остается белой на воде темного, грязно-коричневого цвета. Даже пузырьки в кока-коле белые, но почему? По той же причине, по которой облака белые и большинство порошков тоже. Вы когда-нибудь замечали, что если измельчить что-то цветное в мелкий порошок, то он часто становится белым, независимо от того, какого цвета он был вначале?
Пена состоит из крошечных пузырьков воздуха, окруженных водой. И наоборот, облака состоят из очень маленьких капелек воды, окруженных воздухом. Когда свет попадает на любой из них, он встречается со множеством сфер разного размера. Свет отражается от этих "шариков" разного размера, и каждый из них отражает свой цвет. Эти цвета попадают в наши глаза одновременно, и то, что мы видим, - это то, что они снова смешиваются вместе, создавая белый свет. То же самое происходит, когда порошки становятся достаточно мелкими. Но если внимательно посмотреть на пену, цвета иногда появляются мимолетно.
Пузырьки в пене обычно лопаются очень быстро, и пена вскоре исчезает, что мы все наблюдали вокруг наших ног на пляже. Пена, которая держится дольше, является признаком того, что в воде есть что-то еще, а именно химические вещества, называемые "поверхностно-активными веществами". Эти соединения, к которым относится обычное мыло и многие другие промышленные химикаты, заставляют пузырьки держаться намного дольше. Длительная пена - верный признак того, что вода не чистая. Романтики отвернитесь!
В одной из предыдущих книг, "Исследователь природы", я писал о приборе, который изобрел швейцарский путешественник и физик Гораций-Бенедикт де Соссюр, под названием "цианометр". Это была коллекция цветных образцов, которые можно было сравнивать с цветом неба, а затем использовать для измерения и обозначения голубизны неба.
Если мысль о том, что голубизну неба можно измерить и присвоить ей номер, наводит на вас ужас и заставляет думать о том, что эмпирики не остановятся ни перед чем, то вам действительно следует прекратить чтение этой книги. Ученые-гидрологи разработали свою собственную версию цианометра, названную шкалой Фореля-Уле, так как она была разработана швейцарским ученым Франсуа Альфонсом Форелем и немецким географом Вилли Уле. Шкала работает следующим образом: Создается и нумеруется двадцать одна небольшая пробирка с жидкостью, которая охватывает шкалу цветов от ярко-синего (№ 1) до темно-коричневого (№ 21).
Как мы уже видели, отражение света от воды оказывает огромное влияние на цвета, которые мы видим, поэтому метод Фореля-Уле позволяет обойти эту проблему, опуская белый диск в воду до его исчезновения, отмечая эту глубину, а затем поднимая его на половину этой глубины. Затем цвет диска сравнивается с цветом пробирок с жидкостью, и наиболее близкий номер присваивается этой воде.
Многочисленные тесты и исследования показали несколько интересных вещей: Во-первых, что самое удивительное, мы, люди, на самом деле довольно хорошо умеем объективно сравнивать цвета, поэтому мы можем дать достаточно точное показание и, следовательно, номер. Во-вторых, что наиболее полезно, этот цвет является точным показателем того, что происходит в воде.
Следующая таблица дает приблизительное представление о том, какие выводы мы можем сделать о воде по ее цвету, после того как мы убедились, что этот цвет обусловлен частицами в воде, а не дном или светом, отраженным от поверхности.
- От индигово-синего до зеленовато-синего (шкала 1-5 FU). Низкий уровень питательных веществ и низкий уровень органического роста. В цвете преобладают микроскопические водоросли (фитопланктон).
- Зеленовато-голубой до голубовато-зеленого (шкала 6-9 FU). В цвете по-прежнему преобладают водоросли, но также может присутствовать повышенное количество растворенного вещества и немного осадка. Характерен для районов, расположенных в сторону открытого моря.
- Зеленоватый (шкала 10-13 FU). Часто прибрежные воды, в которых обычно наблюдается повышенный уровень питательных веществ и фитопланктона, но также присутствуют минералы и растворенный органический материал.
- Зеленовато-коричневый до коричнево-зеленого (шкала 14-17 FU). Высокая концентрация питательных веществ и фитопланктона, но также повышенное содержание осадочных пород и растворенного органического вещества. Характерно для прибрежных зон и приливных отмелей.
- От коричнево-зеленого до кола-коричневого (шкала 18-21 FU). Воды с чрезвычайно высокой концентрацией гуминовых кислот, характерные для рек и эстуариев. Приведенная выше таблица используется Гражданской обсерваторией по оптическому мониторингу побережья и океана, а для тех, кто заинтригован и хочет принять участие, существует программа гражданской науки и даже приложение. Гораций-Бенедикт, одолейте это!
