h2o什么来的（水是透明的海是蓝色的）

在今年这个寒冬，全国很多地区都体验到了多年难得一遇的寒流，甚至很多城市的降雪都比往年要更大也更频繁。有可能当你某天早上拉开窗帘时，就会看到一片积雪皑皑的世界，银装素裹，十分好看。

（图片来自故宫博物院）

我们都知道，雪的主要成分其实就是水。可是，水明明是透明的，为什么变成雪就是白色的了？如果说是固体和液体之间有区别的话，同样是水的海洋，为什么却呈现出蓝色呢？

首先我们要搞清楚，什么是颜色。实际上，我们能够看到的五彩斑斓的颜色，其实都是对不同波长的电磁波的区分。可见光是电磁波的一部分，其中波长从长到短依次是赤橙黄绿蓝靛紫，更长的是红外线，更短的是紫外线。波的频率和波长成反比，因此如果是频率排序，就是反过来的。

（图片说明：可见光只占电磁波很窄的一部分）

而我们生活中看到的大部分物体都不是本身就能发光的，因此它所呈现的颜色就取决于它反射的光或者是透射的光呈现出什么颜色。

一般来说，我们看到的物体都是通过太阳光这样的自然光来看的，而太阳光是全波段的，或者说是白色的所以每个波长的电磁波都会照射到物体上。当太阳光照射到物体上时，物体的性质决定了那种波长的光更容易被反射或者透射以及其他哪些波段被吸收，也就是决定了我们看到它是什么颜色的。

如果一种物体能够反射所有可见光波段的光，那它就会呈现出白色；如果只能反射红色波段的光，那我们看到的就是红色；如果它吸收了所有波段的光，不产生任何反射，那么就呈现出黑色了。

那么，水为什么是透明的呢？是因为它透过了所有的光吗？显然是不可能的，如果水真的能够透过一切的光，那么不论多深的江河湖海都应该能够让我们看到水底或者水中的一切生物，也不可能让我们看到水面的波浪、涟漪和波光。

实际上，水也是可以吸收和反射一部分光的。只不过，对于基本洁净的水来说，投射的光要比反射的光多得多，所以我们基本看不见水反射的光，而只能看见透射光。

当可见光射到水里时，其能量就会激发水分子中的电子发生跃迁，来到更高的能级。当电子跃迁回基态的时候，也会释放出光子来，而且它所携带的信息和之前与它相耦合的光子是一致的，因此射进来的光除了少部分被吸收外，其他大部分都以其他的光子携带相同信息的方式射到我们眼中，所以看起来就是透明的。

好了，既然水是透明的，为何海水却变成蓝色的了？

目前最流行的说法认为，这是因为瑞利散射的作用所导致的。也就是说，他们认为海水呈现蓝色和天空呈现蓝色是同样的原因。

另外，也有科学家提出了不同的看法。他们认为，水分子的特性使得它更容易吸收红色、橙色这样波长比较长的电磁波，而蓝色和紫色的光被吸收得比较少。从这个角度来说，水其实就是蓝色的，只不过平时我们看到的水量很少，体现不出来。如果你家有浴缸，把水装满，也会发现呈现出微弱的蓝色。至于海水，深度绝对没问题，看起来就是深蓝色了。

当然，海水也并非全都是蓝色的，比如我国黄海，由于泥沙非常多，所以呈现出黄色。另外，世界上还有红海和黑海，它们其实也是蓝色的，至于它们为何叫红海和黑海，目前学术界也有争议。

说了这么多，我们讨论的都是液态的水。那么，当水变成固态，也就是雪，怎么就变成白色了？

其实，这和其微观结构有关。

想象一下，如果你的面前有一块擦得锃亮的玻璃，你会看到它是透明的颜色，甚至可能看不出它的存在，比如我就曾经因为家里全玻璃的门擦得太干净撞了上去……

不过，一旦玻璃破碎，而且是碎成粉末的程度，你就会发现这种粉碎的玻璃渣呈现出白色。上过初中的朋友就会知道，玻璃的破碎是一个物理变化的过程，并没有发生化学变化，也就是没有新的物质生成。那么，既然是同一种物质，为什么作为整体就是透明的，碎成粉末就变成白色了？

这就是加州理工学院物理学教授Kenneth Libbrecht做的一个比喻，他接下来向我们解释：作为整体的时候，玻璃只有一个平面。但是，当它被砸成粉末的时候，这些玻璃渣就会被砸成不规则形状，拥有许多不平整的表面。于是，光在照射过来时就会发生大量的反射，然后叠加在一起，就呈现出白色了。

同样的，雪也是因为这个原因呈现出白色的。众所周知，雪在微观上是呈现出雪花形状的，同样不止有一个平面。因此，照射在雪花表面的光就会经过多次反射和叠加，将所有波段的光都反射到我们眼中，所以看起来就是白色的了。

同样的原理，我们也可以解释透明的海水为何掀起浪花就变成白色了。这是因为浪花中有许许多多微小的气泡，光线在内部反复反射和折射，最终叠加起来反射到我们眼中，于是就变成白色了。

你以为这就完了吗？

并不会。同样是雪，也会呈现出不同的颜色。除了因为夹杂着一些杂志而出现的彩色雪之外，我们还会发现，有一些雪山或者冰山会呈现出淡蓝色，这又是为什么呢？

（图片说明：惯性思维可能会让你觉得雪山是白色的，但是仔细看，是不是呈现淡蓝色？）

其实这个原理和海水呈蓝色也是一样的原理，这是因为这些雪山或者冰山有很多微小的缝隙，我们肉眼看得并不明显，但足够让阳光照射进来。在这种情况下，光线在雪山或者冰山大量的缝隙中反复穿梭，而其中红色和橙色等波长较长的光被吸收，因此反射到我们眼睛中的蓝色较多，就呈现淡蓝色了。一般来说，至少要有厚度超过0.3米以上的雪或冰，才有可能看出蓝色来。