Miért kék a víz, ha színtelen?

„Megégett kezemmel írok neked a tűz természetéről.” Gustave Flaubert

„Beleszerettél egy viharba. Tényleg azt hitted, hogy sértetlenül megúszhatod?” Nikita Gill

Fehér fény

Először is van a fehér. Ez azonban nem olyan egyszerű, mint amilyennek tűnik. A fehér nem „létezik”, hanem „létrejön”, pontosabban egy komplex integrálszámítás eredménye, mint egy eljegyzés :), illetve egy „hosszas egyeztetés nyeresége”, mint egy tűzszünet. Azonban a továbbiakban nem lenne szerencsés így fogalmazni, maradunk tehát a létigénél.

Először is, valaminek a színét nem a csúcs-hullámhossz, hanem az egész görbe integrálja (a fejünkben levő szuper-Photoshop közreműködésével :)). A fehér a napsütés szubsztraktív, polikromatikus ajándéka bolygónknak, amihez tökéletes egyetértéssel csatlakoznak az emberi képességek. Tulajdonképpen arra vannak optimalizálva, csak éppen nem egyedi beavatkozással. Vagyis nekünk, akik itt élünk ezen a bolygón, a Nap a fényforrásunk, arra hangolódott rá az egész látási képességünk, tehát az észlelés és feldolgozás egész rendszere. Ezért lett a mi „fehérünk” a napfény, méghozzá nem is a natúr Nap fénye, hanem a légkör által megszűrt napfény, amikor minden látható frekvenciából azonos mennyiséget tartalmaz, az intenzitás más kérdés. Nincs monokromatikus fehér, mesterséges fénnyforrások esetén is legalább két komplementer (szín) hullámhossza szükséges, a fenti definíció szerint.

A folyamat „mechanikája” ismert (khm). A recehártya csapjai és pálcikái elektromágneses hullámokat észlelnek, és adekvált elektrokémiai jeleket küldenek az agykéreg látómezőihez…, ebből az „alapanyagból” készül a fény. Amúgy biológiailag lehetetlen egyetlen fényfrekvenciát megfigyelni, mindig egy sávot, egy spektrumot látunk, és annak kalkulált átlaga lesz a konkrét szín, amit az agy az adott tárgy, jelenség „bevett színe” felé torzít. Tehát a „fehér fény” nem metafizikai igazság, nem is platóni idea, hanem egy hosszan tartó kooperáció eredménye, egy konszenzus, ha úgy tetszik, nem mellesleg az életnek egy különleges csodája, hogy az emberi szervezet rátalált a fehérre, és a fehér pedig megtalálta őt. Ha azt mondod, hogy a Teremtő munkája, azzal is teljeséggel egyetértünk. Annyi kiegészítéssel, hogy kezdetben volt az elektromágneses sugárzás, fény az első fotoreceptor + központi idegrendszer megjelenésével lett 🙂 A világosság viszont a fény előtt jár. Pásztori értelemben egészen biztosan!

Az alábbi ábrán a Föld fele sugárzott, illetve a Föld felszínére konkrétan megérkező fény sugárzási spektrumának különbsége (tengerszint, 90 fokos besugárzás, a „fekete test” témakört ezúttal mellőzzük):

© Bill Otto

Látható, hogy van némi különbség a Nap valós és számunkra, porbanjáró emberek számára látható fénye között, a fehér a légkör szűrésével jön ki, anélkül viszont a Nap arcát narancssárgának látnánk (a mostani képességünkkel). Légkör nélkül azonban előbb-utóbb az lenne a „fehérünk”, igaz kellene hozzá egy kis idő, de végül csak beállna a szem-agy kombó az új helyzetre. Persze, persze, ez így ostobaság, de csak egyetlen gondolatra koncentráltunk, és az reméljük átment. Máskülönben a látóideg receptorai által érzékelt fény (hullámhosszok), egy 2 dimenziós grafikonra vetítve, valahogy így néz ki:

A fenti képen mintha az látszana, hogy színi világunk meglehetősen szerény, mondhatni egyszerű. Kétdimenziós skálán három harangalakú tartományt fed le, és az csak nagyon szűk töredéke az elektromágneses sugárzásnak, mint ismeretes az ábra:

                                                                                           © Armasight

Ráadásul a megelőző (egy ábrával fentebbi) egy átlagos és nyilván simított vonalvezetésű grafikon. Viszont receptoraink képessége igazoltan ennyi, és nem több, tehát ami bújt bújt…, ami bejött, bejött…, a többi munkát az agynak kell elvégeznie. És derekasan teszi is a dolgát. Nem a fény természete, nem is érzékelésének módja miatt történik az, hogy léteznek olyan színek, amelyeket nem „látunk”, mégis „érzékelünk”, amelyek nem felelnek meg egyetlen receptált fényfrekvenciának sem, mégis egyértelműen meg tudjuk őket nevezni, el tudjuk választani a többitől. Ennek oka agyunk különös tehetsége. Például nincsenek „barna” fotonok, és nincsenek „fehér” fotonok sem, vagyis a nekik megfelelő hullámhossz, mégis látunk ilyen színt, vagyis láttat agyunk a beérkező információk nyomán. Nincs sárga, de barbis sem, ráadásul, ismételjük, nem is „látunk” színeket, csak „érzékelünk”, „képezünk”, mert van egy csodálatos, rendkívül kreatív központi idegrendszerük, amelyik mindent elkövet, hogy gazdáik túléljenek egy színes, kihívásokkal gazdag világban. Éppen ezért egy szemész főorvos gyakorlatilag idegsebész és pszichiáter is egyszemélyben, mert a látásnak csak egyik része az optika, illetve a szem, mint szerv, a folyamat jelentős része „szoftveres” munka.

                                          © Bill Otto

A korábbi diagramon nem szerepelt, de erre felrajzolta a szakértő szerző azt a narancssárga sávot, ami azt mutatja, ahogy a Napot látnánk a légkör nélkül, amint azt fentebb röviden említettük. Az a narancssárga sáv csak illusztrációként van jelen, és ezesetben nincs jelentősége annak, hogy éppen hol található a grafikon koordinátarendszerében.

Nagyon fontos: egy konkrét szín bizonyos hullámhosszok átlagának felel meg a végtelen dimenziós színtér 3 dimenziós vetületében, ami tkp. a valódi fény. Tehát nem olyan a látásunk, ahogy azt egy kétdimenziós ábra bemutatja, akármennyire is próbálja a spektrumot és a színeket akkurátusan ábrázolni. Látóképességünk a valóban a szemünkben lévő (általában) három tartomány lefedő érzékelőrendszerre épül. Ez a látóideg-rendszer továbbítja a beérkező jeleket az agynak, ami nagyon kreatívan, a szállított elektrokémiai információkat leképezi egy 3 dimenziós színgeometriává. A szemünkben például nincs sárga érzékelő, csak: vörös, zöld és kék, és a receptált hullámhosszokból az agy képez színeket, és alakítja át a jeleket egy 3 dimenziós színképpé. Hogy is fejezzük ki metaforikusan? Az elektromágneses sugárzás óceánjából kimer egy maréknyit. „Kimer”, nem metszetet készít, nem felvázol, stb. Ez a maréknyi pedig akár tízmillió árnyalatot is jelent. Pont elég. Ha több lenne, a hatalmas színi információ mennyisége rövid idő alatt kinyírná a központi idegrendszert. Túlterhelés, így nevezik a számítástechnikában a hardverekre zúduló, kezelhetetlen mennyiségű szoftveres impulzust.

A fénynek fizikai értelemben nincs színe. A fény frekvenciák és hullámhosszok formájában ér el minket. Amikor a szemünk különböző frekvenciákat vagy hullámhosszakat érzékel, elektrokémiai impulzusokat küld az agyunk látókéregébe. Ezek nyomán az agy színeknek nevezett vizuális érzeteket hoz létre. A fénynek megvan a maga története azelőtt, hogy belépne a szemgolyóba, de amint áthalad a szemlencsén és az üvegtesten, már semmi más nem számít, csak azok a frekvenciák, amik elérik fotoreceptorainkat, azok hullámhossza/frekvenciája határozza meg, hogy milyen színt érzékelünk. De mi nem a fényt látjuk. A tárgyakat látjuk, a fény miatt.

Lehet olvasni olyat, hogy bezzeg a sáskarák! Minthogy a sáskaráknak olyan fotoreceptorai vannak, amelyek 16 különböző hullámsávra érzékenyek, a mi 3-unk helyett, de egyes példányok akár 20 színt is meg tudnak különböztetni. Ámde „félreértés esete forog fenn!” Legyen 20, de mindenik közülök egy nagyon szűk sáv, igazából szinte egyetlen hullámhossz, bár ilyet biológiai rendszerek nem tudnak, de akkor is, 20 szűk sáv. És ennyi. Az embernek van 3 igen széles spektruma, amiből az agy épít mintegy tízmillió színárnyalatot. Ezzel pedig igen nagy valószínűséggel meg tudjuk azt is saccolni, hogy pontosan hány órai alvás után jelentkezett a derék Marianne modellje Delacroix mester műtermében, amit aztán hűségesen rögzített is emlékezetes alkotásán 🙂 A sáskarák, velünk ellentétben, nem dolgozza fel a színeket együttesen. Nem képez átlagot az egyszerre beérkező hullámhosszokból, sőt, azt sem képes kiszámolni, hogy éppen mennyire élénksárga az illető tárgy színe. Ehelyett minden egyes színsávot önállóan dolgoz fel, ami olyan szegényes színvilágot eredményez, hogy nocsak. Nem irigyeljük a sáskarákot, és egészen más okból, ő sem minket 🙂

Ismételjük: lehetetlen egyetlen fényfrekvenciát megfigyelni, mindig egy sávot, egy spektrumot látunk, és annak átlaga lesz a szín, tehát valaminek a színét nem a csúcs hullámhossz, hanem az egész görbe integrálja, a fejünkben levő Photoshop közreműködésével. Elvileg létezhet tiszta szinuszhullám is, de az a fizikai laboratóriumok területe, nem a biologikumé. Bár valaki azt állította, hogy matematikai képtelenség, fizikai nonszensz egy kizárólag mondjuk 712 nm-es szinuszhullám. De ezt a témát már nem a mi asztalunkra tették.

Illusztrációként gondoljunk egy analóg rádióra, bár lehet, hogy ez inkább bonyolít, mint értelmez, de más nem jut eszünkbe, és mi még szedtünk szét VEF-rádiót 🙁 Szóval ha emlékszik még valaki a régi rádiók változtatható kapacitású kondenzátorára, amit forgókondiként ismertünk. Egyik része (fegyverzet) fix, másik forgatható volt, és a megfelelő kapacitás beállításával lehetett a rádió antennarendszerét a kívánt frekvenciára érzékenyíteni.

                                      © Wojciech Pysz

Amikor ez 540 kHz-hez közeledett, megszólalt a Kossuth, és lassan kitekerve belőle egyre zavarosabb lett a hang, vonított, zörgött, torzult, majd végül elveszett. Azt mondhatni, hogy a 540 kHz volt akkor a rádiókészülék fehér fénye. Szemünk biológiai rendszere a Napra kalibrált, a Nap spektrumára súlyozott. És meglehetősen korlátozott. A mi érdekünkben. Bizonyára előfordultak olyan mutációk egyes embereknél, hogy látták mondjuk az ultraibolya tartomány egy részét is. Viszont az a túlélés, az életfenntartás szempontjából teljesen felesleges volt, sőt, tragikus módon pluszterhet jelentett az elmének. Ráadásként kellett azokat az adatokat feldolgozni, és ez nem szolgált az illető előnyére, mondjuk egy éles helyzetben, a képesség tehát nem öröklődött :(. A lényegre kellet minden erőforrás, így az agyé is. Értelmetlen, sőt, kontraproduktív volt használhatatlan többletinformációkkal terhelni, ami életbevágó jelzések elől vette el a kapacitást. Van nekünk tehát egy viszonylag szűk spektrum, és mennyi csodát lehetett ebből is kihozni, arra jó példa a képzőművészet, illetve az emojik színe :).

Másrészt azt mondjuk, hogy a fehér tartalmazza az összes hullámhosszt, de ha a palettán összekeverjük az összes színt, mi jön ki? Természetesen fekete. Bár sok pigment összekeverése során az „abszorpciós egyesülés határai” sérülnek, így inkább csak sötétbarna jön ki, de ezt a problémát most félretesszük. Fényforrások hullámhosszait az agyunk összerakja, a tárgyakról visszaverődő fény viszont már egy többletműveletet, a kivonást (=elnyelődés) is tartalmazza. Minden hiányzó hullámhosszt elnyelt az illető test, szín, amit látunk az egy kivonat, egy tiltakozás, visszautasítás: ezzel (ezekkel) a hullámhosszokkal nem tudok mit kezdeni, itt vannak, nesztek! És visszakapjuk. A többit megtartja magának (abszorbálja, elnyeli). Amit látunk tehát, az tulajdonképpen a komplementer hullámhosszok együttese, amiket az illető tárgy, felület, szín nem fogad be, nem olt ki, nem semlegesít a látásunk számára. Amit pedig teljesen elnyel, az egyáltalán nem látszik. A festékek keveredése szubsztrakcióval történik (minden pigment elnyel bizonyos hullámhosszokaz, a többit pedig visszaveri, és amikor kettőt keverünk, mindkettő elnyelése bizonyos mértékben bekövetkezik, de ez kicsit azért bonyolultabb).

Az alábbi illusztráció jól mutatja az összeadó színkeverés (addicionális), ill. a szubsztraktív színkeverés különbségét, ami a víz kék színe és az ég kékje közötti különbségre is rámutat, amint azt később tárgyaljuk.

                                                               © Lyle McElhaney

Két másik ismertebb ábra:

Ha minden kéket szeretnénk kiszűrni egy fényforrásból, akkor a komplementer színének megfelelő szűrővel kell a sugárzást árnyékoljuk, ha bizonyos színű festéket szeretnénk keverni, akkor a keresett szín spektrális hullámhosszának visszaverődését kell elérni. Az égbolt csúcs-szórása pl. az ultraibolya tartományban van, de ha integráljuk a szórást a lila, kék, zöld, sárga és még a vörös hullámhosszokon is, tehát egy fényspektrumban, akkor az integrált szín az „égkék”-nek ismert árnyalat valamelyike lesz, a pillanatnyi lila, vörös stb. aránynak megfelelően. A szubsztraktív színekre a példa, aminek megfigyelése keveseknek adatik meg, az óceánok űrből látható kék színe, ami nagyrészt annak tulajdonítható, hogy a spektrum vörös hullámhosszainak nagyrészét a víz elnyeli.

Mint említettük az emberi szem színreceptorai nem monokromatikusak, minthogy egy hozzávetőlegesen harang alakú frekvenciaspektrumot fednek le. A monokromatikus fény különböző kombinációiból képződő egységes színeket „metamereknek” nevezik. Nyomdatechnikai érdekesség az azonos színélmény, annak ellenére, hogy a színkeverékek egyenként különböző spektrális összetételű hullámhosszokból állhat. Fizikailag a fénynek tehát nincs színe, hanem spektruma van, az összes látható fényhullámhossz amplitúdója, amely jelen van. Ezt a spektrumot alakítjuk át érzékelt színné, amikor a fény a szemünkbe jut, a retinára esik, és az agyunk értelmezi.

De honnan a kék a vízben, ha színtelen?

„… a kék a legtávolabbi pontokon, ahol kilométerekre ellátni, a távolság kékje. Ez a fény, amely nem ér el hozzánk, nem teszi meg a teljes távolságot, ez a fény, amely útközben elvész, adja nekünk a világ szépségét, amelynek olyan nagy része a kék színben rejlik. Sok éven át meghatott a látható távolság legszélén lévő kék, a horizontok, a távoli hegyláncok, minden távoli dolog színe. A távolság színe az érzelmek színe, a magány és a vágy színe, az innen látható ott színe, a színe annak, ahol nem vagy. És annak a színe, ahová soha nem mehetsz el. Mert a kék nem a horizont távolában van, hanem a légköri távolságban, az a kékség közted és a hegyek között van.” Rebecca Solnit

Nem fény hatol be a vízbe, hanem az elektromágneses hullámok egy spektruma, és a természet/Teremtő szponzorálásával, ezek bizonyos része számunkra is látható. A Nap fényspektruma nagyjából 100nm és 1mikon közé esik, ebből számunkra a kb. 380nm és 780nm közötti tartomány érzékelhető. Az alábbi képhez csak annyit, hogy a Nap elektromágneses sugárzása (solar spectrum) itt vázlatos, és súlyozott. Gyakorlatilag ennél jóval szélesebb, főként a vörösön túli frekvenciákban.

A fény a vízmolekulák között tehát nem színként, hanem hullámhosszként, frekvenciaként létezik, ahogy egyébként mindenütt másutt is, az agyunkat leszámítva. Egy vízmolekula 0.275 nanométers, elektromosan semleges, V-formában elrendezve, erős O-H kötéssel. Egy vízcsepp 1.5 sextillion (1.5 x 10^21) vízmolekulát is tartalmaz, ezt úgy lehetne közérthetőbben kifejezni, hogy: á, mindegy! Ez akkora szám, hogy elvben minden cseppben, bizonyos mértékben, lehet óceáni, Bajkál-i, Colorado-i eredet, tartalmazhat némi emberi könnyet Afrikából, izzadságcseppet Vietnámból, és kókuszvizet Pápuáról. A nevek és társított jelenetnek semmiféle jelentősége nincs. Nem a molekulák mérete, hanem rezgése a meghatározó a fény bizonyos részeinek elnyelésénél, amint arról alább kicsit részletesebben szólunk. Egyelőre maradjunk egy igencsak izgalmas ténynél, hogy a víz molekuláris szerkezete rendkívül érdekesen viselkedik az elektromágneses sugárzás különféle hullámhosszaival. Egész egyszerűen megdöbbentő szeszéllyel. Van fizikai és biológiai oka és magyarázata, de akkor is, és ne üssük ki időnapelőtt ámulatunkat azzal, hogyha nem így viselkedne, mi sem viselkednék, sehogy. Nézzük meg az alábbi grafikont.

http://hyperphysics.edu

A grafikon közepén levő „árok”, javarészt éppen a látható fény tartományában van, és azt jelzi, hogy abban a víz abszorbáló képessége drámai módon lecsökken. Magyarán, ha ez egy kicsit elcsúszna, a csapvizünk nagyjából kólaszínű lenne, vagyis elnyelné a fény jelentős részét. Természetesen értjük a másik problémát, hogyha a víz kólaszínű lenne, akkor milyen lenne a kóla, illetve hogy akkor az lenne az „áttetsző”, meg mozdulna a „fehér” fogalma, és ha kólaszínű lenne, más lenne a víz molekuláris szerkezete, és akkor az sem lenne, aki ilyen marhaságokat írjon :). Ezért maradjunk a mi szerény gondolkodási kereteink között. Szóval a csapvíz és kóla talán kicsit túlzás, de egy luxusjacht úszómedencéjében levő vizet, annak viselkedése és a jelen levő mennyiség miatt (Lambert-Beer-törvény), nem tudnának „szürkekóla” szint fölé vinni a legdrágább szűrőberendezésekkel sem. Nyilván akkor az lenne a „tiszta víz”, és azért ez nem általános és életbevágó probléma. Ismételjük, hogy mindez fantazmagória, tudománytalan, hiszen ha a víz nem úgy nyelné el a fényt, ahogy teszi, akkor más lenne a szerkezete, és akkor nemcsak jachtok hiányoznának a világból. A lényeg, hogy ez a grafikon megmutatja, hogy a tiszta víz nem teljesen átlátszó, de viszonylag áttetsző, köszönhetően a víz molekuláris viselkedésének az elektromágneses sugárzás látható tartományában.

Egy másik grafikonon ugyanez, kicsit színesebben, de a kérdés, amit feltesz, még mindig nem kifejezetten részletezett, arra majd a rákövetkező ábra ad pontosabb választ:

Itt van tehát egy másik grafikon, amelyik már a látható tartományra összpontosít, ami már értelmezi is a kérdést, hogy miért kék a víz:

A fenti a látható tartományra összpontosít, azt mutatja, hogy a különböző hullámhosszokat milyen mértékben nyeli el a víz. Látszik a grafikonon is, de azért megemlítjük, hogy nem arányról van szó, és elnyelésről (moláris abszorpciós együttható), nem pedig szóródásról. Nagyon szépen látszik, hogy a víz molekuláris viselkedése a vörös spektrumot erőteljesen, a kéket (420nm környéki minimummal) sokkal kevésbé szűri ki, vagy szakszerűbben fogalmazva: kevésbé abszorbálja, azaz többnyire „átengedi”. Ez akár már 10 méter mélységben szemléletesen érvényesül, de egy úszómedence alján is érzékelhetően halványabb a bordó szín, mint a medence partján. Egyre mélyebbre haladva minden kékes lesz, a színek fokozatosan kihunynak. Talán emiatt nem készült egyetlen híres festmény sem a víz alatt 🙂 Van tehát itt egy piaci rés!

A fény természetesen nemcsak elnyelődik, hanem szóródik, még a tiszta vízben is. Azonban a tiszta víz szórási vesztesége, vagyis maga a szórás jelensége a tiszta vízben meglehetősen kicsi. A hőmérséklettől függően a tengervíz, a benne levő oldott anyagok miatt, rendszerint 1,3-szor több fény szór, mint a tiszta víz. Vagyis ilyen mértékben járulnak hozzá a víz betekintési színéhez az oldott anygok, főként a NaCl, de hangsúlyozzuk, hogy mindez „tiszta tengervíz” esetén. Amikor anno Gina Lollobrigida – Isten nyugtassa – fürdött a Riviérán, az értékek nyilván megzavarodtak 🙂

A víz esetén azonban nem ugyanaz a mechanizmus érvényesül mint az ég kékjénél, esetében a kék spektrális szelekciója az abszorpcióhoz kapcsolódik, és nem a visszaverődéshez, vagy a Rayleigh-szóráshoz, ami már, hogy úgy mondjuk, közismertebb jelenség, és amit már emberi léptékben is megfigyelhetünk, tehát nem muszáj „miért kék az ég” nagy problémáján töprengenünk. Ugyanis a diffúz fény láthatóan a távoli hegyeket cián vagy világoskék árnyalatúvá teszi. Természetesen nagyobb léptékben az ég kékjében észlelhetjük ugyanazt a jelenséget. Ez esetben, tisztán „tudományos” elnevezéssel élve, a jobban ficergő kék (rövidebb hullámhosszú és magasabb frekvenciájú) nagyobb mennyiségben szóródik ki a légkörben a levegő molekuláival ütközve. (A kocsmában szerzett „tompa kék” más szórás következménye, ne keverjük, mert épp az lehet a gond, hogy keverjük, vagy összekeverjük:)).

A Rayleigh-szórás sematikusan ábrázolva az alábbi grafikonon. A kép forrása a grafikon alján. Ez csak egy séma, és ha egy tudományos honlap sem megy bele a kérdésbe részletesebben, mi sem tesszük 🙂 De szólunk: a különböző hullámhosszú fotonok atomi (elektronok) illetve molekuláris (vízpára esetén) szinten lépnek kapcsolatba a levegő molekuláival, az ózonnal, az oxigénnel, a vízgőzzel, vagy adott esetben a széndioxiddal. De a jelenség szemléltetéséhez ez egyelőre elegendő. A nyilak a szóródást jelzik. A színt a fotonok energiája határozza meg, amit viszont a frekvenciájuk határoz meg. A frekvencia soha nem változik a közeg miatt. A fény színe változhat, amikor különböző közegeken halad át, de nem a frekvencia, hanem a szelektív elnyelődés miatt, ugyanis fényforrásaink nem egyetlen hullámhosszt, hanem spektrumot bocsátanak ki. Még a nagyon polarizált fény is viszonylag széles spektrumú lehet.

Lévén, hogy ezúttal nem ez a fő témánk, próbáljuk a kérdést játékosan megközelíteni. Olyan ez, mintha a fény számára lenne egy akadálypálya, ahol a különböző légköri molekulák lennének az átugrandó akadályok. A pirosaknak 100 méterenként, a kékeknek 5 méterenként lennének felállítva. De lehet, hogy közvetlenebb a kép ekként: a kékek ugyanazzal a sebességgel kell fussanak mint a pirosak, csak előbbiek mindezt 20 cm-es lépésekben tehetnék. Lényeg az, hogy egy részük hamarosan kidőlne, a szerencsésebbek tovább jutnának, de egy idő után tekintélyes részük, de alapesetben nem mind, azonmód pihegve ott ülne a pályán. Ezért kék az ég, tele van pihegő, kidőlt kékekkel. Egy másik eset, az „alacsonyan járó Nap”, amikor a fény megnövelt légköri pályát kell befusson. Ez már egy félmaraton. A kékek mind kihullnak. A célegyenes, a naplemente, már a kékség végleges búcsúztatása, a népek hangos gyönyörködése pedig a gyászbeszéd 🙂

Minthogy a víz sűrűbb (a tiszta levegő sűrűsége 1,225 kg/m³, a tiszta vízé 1000 kg/m³, tehát mintegy 816-szor sűrűbb), ha a vízben is hasonló spektrális szórás érvényesülne, mint a levegőben, akkor végre kék színű szilvapálinkát ihatna az emberiség, már hogyha ilyesmire vágyott volna, de az esetben csak és csakis olyat 🙂 De nem! Bizonyos mennyiségben természetesen a pálinka is bekékül. Amivel igény keletkezhet újabb mértékegységre: opálnyi pálinka.

Ha a vízben Rayleigh-szórás érvényesülne (van szórás, de tiszta vízben nem az a domináns), azt eredményezné, hogy egyre mélyebbre haladva, egyre vörösebb lenne a víz. Minthogy a vörös hullámhossz fotonjai ritkábban ütköznének, ergo szóródnának ki, mint a kékek. Ezzel szemben a víz a vörös fényt nyeli el a leggyorsabban és hatékonyabban, és egyre mélyebbre menve egyre egyoldalúbb a kék szín. Közben esélyt ad a morbid humornak.

A vízben tehát nem a szórás, hanem az elnyelődés érvényesül. A vízmolekulák folyamatosan rezegnek (az oxigénatom a hidrogénatomokat megpróbálja a helyükön tartani, azok viszont mennének, szabadulnának), illetve az elnyelt fotonok energiája is erősíti a vízmolekulák rezgését. Ezek a rezgések viszonylag alacsony frekvencián történnek, és ezért van az, hogy az alacsonyabb frekvenciájú vörös spektrumot semlegesítik. A kék frekvenciák is nyelődnek, szóródnak, de ez az akadálypálya nekik kedvez. Ahogy szoktak fogalmazni: a pirosak ráülnek a molekuláris mozgásra, együtt hullámzanak, egyesülnek, eltünnek. A kék hullámhosszok, fogalmazzunk egyszerűen, jóval nagyobb eséllyel haladnak tovább, mint a vörösök. Mivel nincs tökéletesen tiszta víz, minden hullámhosszon történik szórás is, a vízben lévő más molekulák és részecskék által, ámde a vízé az egyetlen olyan ismert molekula, amelynek a színét az elektronokkal való konfrontáció helyett a magszintű kölcsönhatások határozzák meg!

Számtalan kiváló oktatóvideó létezik, az első Sabine Hossenfelder-é általánosabb, a másodikon 9:50-től konkrétan a vízmolekula vibrációja látható, a harmadikon 6:40-től szintén, de mindeniket érdemes végignézni. Utóbbi régivágású, de remek sorozatuk van (U.C. Berkeley’s College of Chemistry). A negyedik videó feltöltőjének honlapján sok érdekességet találunk.

https://www.youtube.com/watch?v=4Abq2h5LttU

https://www.youtube.com/watch?v=3RqEIr8NtMI

https://www.youtube.com/watch?v=mNaipM3WEO0

https://www.youtube.com/watch?v=9FH9EDhsQvc

A szivárványban csak a prizmahatás (refrakció) érvényesül, tekintve, hogy olyan parányi mennyiségben az elnyelődés mértéke elhanyagolható. A levegőben lebegő pára cseppjein kétszer is megtörik a beeső napfény. A víz kritikus szöge (ami az esőcseppekre is vonatkozik) 48 fok (a merőlegeshez képest). Ezért, ha a fény 48 foknál nagyobb szögben esik az esőcseppre, a hátuljáról visszaverődik (a pára fehér, szép, de nem különleges). Ha a szög kisebb, mint 48 fok, a fény egyszerűen áthalad rajta, elködlik az égalja. Egyetlen fok tehát, és ezért mindig egy sávban mutatkozik a szivárvány, bár az elektromágneses hullámok folytatódnak a lilán túl és a vörösön innen is, de azt már mi nem látjuk. A szivárvány végtelen, mi annak az egy foknak a szórását lájuk, ami a látható tartományba esik. Tehát ha megfelelő a beesési szög, akkor a jelenség mellett nem tudunk közömbösen elmenni, és ha mégis, akkor baj lehet velünk.  Mindig mondjuk, hogy az égi szivárványnál nem kell jobb indikátor, ami lelkiállapotunkat kimutatja! Az alábbi ábra viszont azt a jelenséget mutatja, amit eső helyett, párás légkörben, viszonylag gyakran, mégis igencsak ritkán láthatunk. Az ábra némi pontosításra szorul. A lila kevésbé törik (össz. 40 fok körül, ezért van „belül”) be- és kilépéskor egyaránt, a 42 fok a vörösre vonatkozik. 52 fok pedig már, érdekes mód, a páleszre, a ~66 százalék meg kétharmad 🙂

A természetben nincs tökéletesen tiszta víz, ezért a víz a benne feloldott vegyi anyagok és szuszpendált részecskék szerint, a fényvisszaverődés miatt, különböző árnyalatokat vehet fel, és ezek lesznek a meghatározóak, nem a színek szelektív abszorciója. Azonban bizonyos megtett út után, a tökéletesen tiszta vízben is kékes fényjelenséget látnánk, de nem a kék szín magasabb frekvenciájának köszönhető nagyobb szóródás, hanem az abszorció miatt. Mint láttuk ez a vízmolekulák viselkedése (mérete, rezgése) miatt történik, hogy a napfény színpalettájából a vízmolekulák sajátos szerkezete (és szelektív barátságossága :)) miatt a hosszabb hullámhosszú és alacsonyabb frekvenciájú sárga és vörös árnyalatok elnyelődnek. A víz lenyeli a vöröset, aztán a sárgát, de még a zöldet is, bizonyos mennyiség (mélység) után. Érdekes módon a fény látható tartományában történik mindez, és azért hangsúlyozzuk ezt, mert pl. a nehézvíz esetén, a molekuláris adottságok miatt, a szelektív elnyelés a látható tartományon túl (infra) történik, ezért az a víz valóban színtelen. Azért az durva lenne, átmenni úgy a tengeren, hogy minden emlőst és halat látni benne (persze nem ez lenne, a vízben lebegő részecskék, az oldott anyag miatt, de akkor is, szebb a kék óceán). A sárga-narancssárga hullámhosszú tartomány abszorpciója miatt a napfény teljes spektrumának komplementer színét, azaz a kéket érzékeljük. Az abszorpció egyébként arányos a fény vízben megtett útjának hosszával, bizonyos Lambert-Beer-törvény értelmében, amint azt már említettük.

A nehézvízben mindenik hidrogénatomnak egy plusz 🙂 neutronja van az atommagjában, ezért kémiai tulajdonságai ugyan nagyrészt megegyeznek a tiszta vízével, mégis más fényelnyelő képességekkel rendelkezik. A többletsúlya miatt megváltozik a molekula rezgése. Pontosabban lassabbá válik, azaz alacsonyabb lesz a frekvenciája, konkrétan a vörösből az infravörös spektrumba kerül, tehát mindenekelőtt azt a tartományt szűri ki, de az már minket nem zavar, ugyanis nem látjuk. Lényeg, hogy átengedi az egész látható spektrumot, így a nehézvíz az emberi képességek számára színtelen. De ez csak érdekesség. Bár mindennap találkozhatunk vele nagyon kis mértékben, nagyobb koncentrációban való előállítása meglehetősen költséges és időigényes, aminek vannak pozitív következményei is, gondoljunk a nácik mesterkedéseire. És ha nekik akkor bejön, dann ich würde diese Wort auf Deutsch schreiben. (Hallo du! Wie oft muss ich noch sagen, dass der plural von „Wort“  ist „Wörter“!?)