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2020年6月 1日 (月)

海が青い理由…水は透明でなく青い+空の青を反射して青い

空が青いのはレイリー散乱なのですが、
では、海が青いのはなぜ?
Mitohama151229b
「海が青い理由」で検索すると… どれも分かりやすく=簡単に説明しているので、私みたいな人間は「ほんとにそうか~?」と、いまいち納得できない。もう少し科学的データを添えて説明しているページはないの?
そういえば、こういう検索でおなじみのWikipediaが出てきませんね。
「海の色 Wikipedia」で検索したら… 出てきました~
水の青 - Wikipedia
「水の青」そんな見出し語なんですか~
英語版では「水の色」ですね。
Color of water - Wikipediaこのページを訳す
では、日本語(ja)と英語(en)のWikipediaより海が青い理由をまとめてみましょう。

ja『海や湖の青色は空の色の反射に加え、この水の吸収スペクトルに由来する本質的な色に起因する。』
en『比較的少量の水は 無色であるように見えますが、純粋な水はわずかに青色をしており、観察されたサンプルの厚さが増加するにつれて、より深い青色になります。 水の青い色相は固有の特性であり、白色光の選択的な吸収と散乱によって引き起こされます。』

ja 青色の原因『海の青色の原因の一部は空の色の反射も寄与し、レイリー散乱の寄与も完全には否定されていないものの、青色は主に水自身の光の吸収に起因するものであることが、現在では判明している。』←ここんとこ、Wikipedia的には[要出典]じゃない?
『また、水自身の色の主因がレイリー散乱によるものと仮定すれば、夕焼けのように透過光では赤色に見えるはずであるが、水の透過光は青色である。』
ja 水分子の赤外吸収 カニが青いボンボンを持って「フレーフレー」してるみたいなアニメーションがあります。ここで水が赤色の光を吸収する仕組みが詳しく記されていますが、一般の人(私も含む)が読むと???となりますので、ここだけ押さえておきましょう。→『3mの厚さの水を透過した660nm(赤橙色)の波長の光は44%まで減衰する。』…ということで、コップ一杯の水は無色透明だけど、3mぐらいの水だとそこそこ青くなるってことですね。

en 湖と海の色『湖と海はいくつかの理由で青く見えます。 1つは、水面が空の色を反映することです 。 この反射が観察される色に寄与しますが、それが唯一の理由ではありません。
海の表面に当たる光の一部は反射されますが、そのほとんどは水面を透過し、その分子と相互作用します。 水分子は、光が照射されると3つの異なるモードで振動します。 赤、オレンジ、黄、緑の波長の光が吸収されるため、残りの光は短波長の青と紫で構成されます。 これが海の色が青である主な理由です。』

ja 水面の反射『海の青色は水の伸縮振動に起因する可視光線の吸収に加え、空の色の反射も関連している。これは空の光の海水面における反射、および海水中に入射した光が微粒子により散乱され、途中で水による吸収を受けた後、空中に脱出した透過光との合成による色が海の青色として出現している。水面における反射率は入射方向が水平に近づくほど高くなり、より空の色が反映される。夕焼けが反射すれば、海面はオレンジ色に染まる。』
Mitohama151229j
もっとオレンジ色に染まる海の画像は⇒「海 夕日」の画像検索結果

…ということで、海が青い理由は2つ、「水は透明でなく青い」ことと「空の青を反射して青い」のです。

では、実際の海の色も観察してみましょう。
※画像は科学イベント出展でコラボしている『あうるの森』さんより
Hamamoroiso171229h
浅瀬を真上から見ると、水は透明です。

Hamamoroiso171229h2
同じ場所を斜め方向から見ると、水色です。これは~
斜めから見ると水中の光路長が長くなり、水の青色が見えてくるのと、
水面での光の入射角が斜めになり反射率が高くなって、空の青が反射している。からでしょうね。

Hamamoroiso171229c
さらに遠くを見ると、水深は深くなり、入射角は水平に近くなるので、海の色は深い青色です。

色々な季節に海に行ってみると、「わ~!今日の海は格別に青いね~」と思うのは、冬のよく晴れた日です。
最初に載せた ↓ この海と空の画像は、冬の三浦半島の海岸。
Mitohama151229b
冬の関東地方の空は夏よりも青い!です。これは、西高東低の冬型の気圧配置で日本海側に雪を降らせ、太平洋側には乾燥した「からっ風」が吹くため、空気中の水蒸気やチリが少なく青空となるのです。この空の色が水面に反射してみえるのと、冬の海にはプランクトンも少ないので、水中に入った光を白く散乱させる要素も少なく、水本来の青色もよく見える。結果、空の青と、水の青が重なって、この真っ青な海の色が生まれるのですね~

ちなみに ↓ こちらは初夏の空と海
Wadanagahama200529a
冬の空と海ほどの澄み渡る青ではなく、微妙に白く濁ってる感があるんですよ。



海が青い理由」「海はなぜ青い」で検索して、
この記事で調べた結果と同じことを記してたページはこちらです。
海が青く見えるのはなぜですか?|キリヤ化学

海が青い理由を説明しているページの多くが、空が青い理由→海が青い理由という流れで説明しています。でも、空が青い理由を「微粒子による散乱」で説明していて(←これは誤り)「レイリー散乱」を説明していなかったり、光を「七色」や「三原色」で説明していたり… どれもイマイチだったので、自分で調べてみた次第。
お時間があったら、次の記事もご覧ください。
「空が青いのはレイリー散乱だ」…アルドノア・ゼロ
虹は七色ではない(無限です)赤紫はスペクトル上にはない


※冬の海と初夏の海の画像
私のPCで見ると違いははっきり分かるんですが、スマホで見ると違いが分からん
ディスプレイの特性によるものか? 調べるためにスクリーンショットを貼って見る。。。
Sky_sea_blue

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