九寨沟的水为什么是蓝色的？
巍峨的岷山山脉中隐藏着一个神秘的仙境。直到半个世纪前，它的真正含义才逐渐为外人所知。汩汩的水流穿过群山和茂密的森林，形成了迷人的蓝色海子。
这里的湖泊像一块块碧蓝的玉石，在阳光的照射下变幻出各种颜色，如梦如幻；这里的湖像一面镜子，映出山川、植被、蓝天、白云，呈现出“鸟在水中飞，鱼在天上游”的奇观这就是九寨沟。
九寨沟五花海全景
五花海是九寨沟最著名的景点，有“九寨精华”的美誉。雪后，海子的蓝色与雪遥相呼应，很像童话世界。
五彩池是九寨沟色彩最丰富的海子之一，以美丽、纯净、透明著称。五彩池也是九寨沟最精致的海子，被誉为“九寨之眼”。
九寨沟的水是耀眼的，蓝是醉人的，但九寨沟的蓝是什么呢？你说是蓝，我说是翠蓝，他说是湖蓝，她说是翠蓝，真是把蓝(兰)难(南)了。嘿，别让读者为难好吗？
关于蓝色，你不知道的事情
除了九寨沟，世界上还有许多著名的蓝色湖泊。比如美国犹他州的熊湖、克罗地亚共和国的普利特维采湖国家公园、冰岛的蓝湖温泉、澳大利亚南部甘比尔山脉的蓝泻湖、新西兰南岛的蒂卡波湖等。
看到这些水天一色的对应美景，我只能感叹没有文化，哇，天好蓝，湖好蓝！但是，世界上有41种蓝色，深蓝、钴蓝、道奇蓝、海军蓝。和口红号一样，每种蓝色都可以通过色号或者颜色的RGB值来区分。你可能知道红色，但是你知道那些湖的蓝色是什么吗？
潘通蓝色分类比色图
在上面提到的湖泊中，由于地理位置、生态环境条件和水化学特性的差异，每个湖泊都有不同的颜色。
氧化钴
蓝湖温泉是冰岛最大的地热温泉，蓝湖的颜色呈现出类似牛奶的粉蓝色。据研究，蓝色泻湖的蓝色是由于温泉中存在一种特殊的蓝绿藻，而乳白色是由于水中含有大量的硅。
蒂芙尼蓝
蒂卡波湖位于新西兰南岛南阿尔卑斯山东麓，属于冰川湖。湖水的蓝色属于“蒂芙尼蓝”。湖水的颜色其实是湖中悬浮的岩石颗粒对太阳光的折射造成的。
土耳其玉色
熊湖和普利特维采湖群是明亮的翠蓝色。雄湖和普利特维采湖群的颜色形成过程与碳酸钙颗粒有关。两个地区的地质成分主要是石灰岩，大量的钙镁离子溶解在湖中。水中高浓度碳酸钙微悬浮颗粒对蓝绿色光的反射，使湖水呈现翠蓝色。
深蓝
蓝色泻湖(Blue lagoon)，位于澳大利亚南部的甘比尔山脉，被称为世界上最难(蓝)的湖。颜色随着季节而变化。由于腐殖质对入射光的吸收，冬季湖水呈现灰蓝色。夏季，二氧化碳脱气和温度升高产生的方解石晶体与腐殖质有共沉淀作用，可以调节湖泊表层腐殖质的浓度。此外，方解石晶体本身有助于短波长光的散射，因此湖水的颜色会随着季节的变化由灰蓝色变为深蓝色。
九寨沟蓝(是哪种蓝？)
一般认为，不同的物体对光的反射、吸收和散射光不同，所以表现出不同的颜色。就像上面提到的各种湖泊一样，岩石颗粒、水溶性二氧化硅颗粒、胶体硫颗粒、胶体硅铝酸盐颗粒、冰川粉等更小颗粒的存在，使得湖泊对太阳光具有独特的反射和散射特性，所以湖泊才会呈现蓝色。
九寨沟大部分湖泊属于喀斯特湖泊，水色的形成与湖泊的低浊度和水中的碳酸钙颗粒有关。悬浮碳酸钙颗粒对入射光的瑞利散射和米氏散射可以使湖水呈现蓝色，而各个方向散射强度的差异以及湖深和水质的差异则赋予湖水多彩的蓝色。
我来告诉你，九寨沟蓝是什么样的蓝？
虽然岩溶湖泊颜色形成的原因已有研究，但岩溶地区特殊的水文系统和地理环境导致湖泊颜色形成机理复杂，研究难度较大。甚至缺乏对九寨沟等高原喀斯特湖泊蓝色形成机制的研究，对湖泊呈现“彩蓝”的原因也没有科学合理的解释。
目前，孙庚团队研究生李晓辉、中科院成都生物所研究员等人利用高光谱设备和室内水化学分析方法，首次量化了九寨沟喀斯特湖泊的颜色，揭示了九寨沟举世闻名的蓝色喀斯特湖泊的颜色形成机制，建立了湖泊水质与颜色的回归方程，合理解释了九寨沟湖泊呈彩蓝色的成因，并将方程应用于湖泊颜色的预测。
来说说这个研究是怎么做的吧~
1.颜色也可以“量化”
为了解释九寨沟湖颜色形成的原因，研究者首先要对颜色进行量化。
在理解这个颜色量化过程之前，有必要先说一下人眼是如何感知颜色的。
众所周知，颜色是眼睛和大脑对光线产生的视觉感受。白光可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光。因为人眼有红、绿、蓝三色的锥体细胞，所以我们对红、绿、蓝光最敏感。我们感知的大多数颜色都可以由红、绿、蓝按不同比例混合而成，这就是著名的“三色理论”。不同颜色的物体，由于反射光的光谱特性不同，进入人眼后被三种锥体细胞选择性吸收，经过一系列光化学反应，在大脑中形成物体的颜色。
人眼颜色感知原理示意图
看到这里，很多人可能会很困惑。这里有一个例子。
当雨停或天气晴朗时，天空常常是蓝色的。这是因为此时大气中悬浮颗粒较少。在大气分子的强烈选择性散射下，蓝光被太阳散射，扩散到整个大气中。进入人眼中的蓝光占了绝大多数，让我们觉得天是蓝的。
蓝天和海洋
基于人眼颜色感知的原理，研究人员使用了超光谱设备(ASDFieldSpecHandHeld)
2便携式地物光谱仪)测量人眼可见范围(380nm-780nm)内各采样点的离水辐亮度数据(光通过水体后返回大气界面的光谱辐射)。
基于色度学理论，在可见光范围内进行数学积分运算，推导出颜色三刺激值XYZ。通过XYZ值计算出优坐标(x，y)，对应CIE1931色度图可以确定每个采样点的颜色。
也可以通过Matlab软件计算矩阵运算后每个采样点的颜色RGB值。这样，通过模拟人眼感知颜色的过程，研究人员可以在测量湖水的光谱数据后，将复杂的湖泊颜色量化为简单的RGB值。这有利于后续颜色形成机理的研究，也为探索湖泊颜色与水质的关系奠定了坚实的基础。
以上原理是干货，以下直接上图！
湖泊颜色测定过程示意图
湖泊颜色的定量测定过程可以看作是人眼感知颜色的过程。高大的ASD地物光谱仪可以近似看作是人眼接收入射光，而复杂的积分和矩阵计算实际上是在模拟人眼内的一系列光化学反应。
研究人员分析了湖泊的辐亮度数据后发现，九寨沟水体对可见光的吸收、反射和散射具有很强的波长选择性，反射光中蓝绿光的比例明显高于红光，这与湖泊独特的水环境条件密切相关，直接决定了人眼观察到的湖泊颜色。根据实测数据，乌海水体反射红、绿、蓝光的比例平均为9.2%、49.6%、41.2%。这种独特的反射光构成，使得人眼观察到的湖水颜色为明亮的蓝绿色。
2.隐藏在水中的颜色秘密
为了探索湖水对可见光选择性反射和散射的原因，研究人员还采集了湖水样品进行室内水化学分析。
经过研究发现，九寨沟湖的浊度较低，除了少数其他点，大部分水域的浊度在0.69NTU左右，透明度极高。目测湖水和怡保罐头差不多。原因是九寨沟喀斯特湖泊水体主要由大气降水、山地融雪水和地下岩溶水补给，含沙量低，清洁度高。此外，九寨沟景区植被丰富，地表径流少，含沙量低，使得湖水浊度低，透明度极高。试想一下，如果湖里有大量的泥沙，它无论如何也呈现不出漂亮的蓝色。
光清楚是不够的。九寨沟独特的钙华颗粒是该湖颜色形成的关键。九寨沟湖水化学类型属于Ca2+-HCO3-
、Mg2+-HCO3-型，水体富含Ca2+和HCO3-，这些离子的浓度比一般高原湖泊高出数倍。如此高浓度的Ca2+、HCO3-
并且碱性的水环境使得湖泊的方解石饱和指数(SIC)较高，即湖泊中存在大量的钙华(碳酸钙)颗粒。由于瑞利散射，这些钙华颗粒对可见光中的短波长光(380-570nm)具有强烈的选择性反射和散射作用。而且石灰华的沉积过程可以固定磷酸盐等营养物质，碳酸钙与水形成的胶体溶液也有溶解沉淀作用，可以吸附湖水中的悬浮杂质，净化水质，进一步降低湖泊的浊度。钙华颗粒与太阳光的瑞利散射和低浊度的相互作用，使得湖水主要反射和散射短波长可见光，而人眼对可见光中的紫光不敏感，所以我们感知的湖水颜色以蓝绿色为主。
那么问题来了，如何解释湖水的七彩蓝？由于瑞利散射，上述碳酸钙颗粒选择性地反射和散射可见光中波长较短的蓝绿色光。其实在瑞利散射的过程中，光在各个方向的散射强度也是不一样的，这就使得从不同的角度看，湖水在不同的深度呈现蓝色。同时，由于湖水清澈度高，当湖水达到一定深度时，清洁度高的水选择性吸收红光等波长较长的可见光，主要反射波长较短的蓝绿色光。此时，湖水越深，人眼观察到的湖水颜色越蓝。所以，同一湖泊的不同水域，如果深度有差异，湖水往往会出现不同程度的蓝色。此外，不同的湖泊和季节对短波长蓝绿光的反射能力不同，因为水质特征的差异会直接导致钙华沉积速率的变化。以上因素使得同一沟渠在不同湖泊、同一湖泊不同水域、同一湖泊不同季节的蓝色程度不同。这就是形成九寨沟七彩湖这一奇特景观的原因。
九寨沟喀斯特湖泊颜色形成机制示意图
碳酸钙与湖水形成的胶体溶液具有溶解沉淀的作用，可以吸附湖水中的悬浮杂质，使湖水清澈透明。当湖水达到一定深度时，透明水体对入射光中红光等长波长光有很强的吸收作用，主要反射蓝绿光；再加上岩溶湖水中碳酸钙颗粒对入射光的选择性反射和散射，使得短波蓝绿色光进入人眼的比例较高，因此人眼感知湖水为蓝绿色。
九寨沟乌海不同深度采样点的蓝色(来源:李晓辉)
纯水对750-760nm可见光的吸收率达到最大。当湖水到达一定深度时，湖水吸收了大量的长波长红光，主要是反射和散射蓝绿光。此时，湖水越深，颜色越蓝。
3.使用方程式预测颜色。
通过相关性分析和冗余性分析，研究人员发现湖泊的颜色与水质的变化密切相关。为了进一步探索水质变化对湖泊颜色的可能影响，研究人员将水化学分析得到的水质数据与湖泊的RGB颜色值数据进行了逐步线性回归分析，建立了九寨沟湖泊的水质-颜色方程:
方程中的自变量为透明度、离子浓度、电导率、溶解氧等水质指标，因变量为颜色R和B值。借助这个回归方程，可以通过测量湖水的水质来预测湖水的颜色变化。研究人员将2065438+2009年7月、8月、9月测得的水质数据代入方程，预测了九寨沟乌海湖、静海湖、犀牛湖湖的颜色变化。从预测结果中可以直观的看出，随着季节的变化，湖水的颜色逐渐由蓝色变为绿色。
九寨沟湖的颜色预测
不要低估这个等式。未来或许可以通过监测湖泊的水质变化来预测湖泊的颜色变化，从而更好地保护九寨沟的美丽湖泊。类似的方法也适用于其他湖泊。
通过以上内容，你对九寨沟蓝湖有了更深入的了解吗？九寨沟是大自然赐予的宝藏，神奇的九寨沟里有很多值得探索的秘密。保护它就是保护人类赖以生存的环境。
后记:最炫富的科研——我在九寨沟划船
在实验过程中，为了确定每个湖中不同采样点的颜色，研究人员往往需要划到湖中心采集水样，采集光谱数据。
你认为抽样是这样的:
然而，事实是这样的:
玩的时间总是短暂而美好的~一觉醒来就该搬砖了。
在九寨沟的湖面上漂浮的不一定是仙女，也可能是取样测量样品的科研人员。我在跟人拼简历的时候，前面的人夸我“擦了熊猫屁股，拉了熊猫屎”；我只有写一首诗来表达我的骄傲:“我永远记得九寨的夕阳，不知道采样后回去的路。”再回到船上，再深入科研的深处，已经来不及了。"
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