Warum ist Wasser klar?

Wasser erscheint für sichtbares Licht transparent, die meisten anderen Objekte sind jedoch undurchsichtig. Warum ist das so? Gibt es eine Erklärung, warum Wasser transparent erscheint?

Ist Wasser bei allen Wellenlängen transparent oder sind die sichtbaren Wellenlängen etwas Besonderes? Wenn es nicht bei allen Wellenlängen transparent ist, gibt es dann eine evolutionäre Erklärung, warum wir erwarten würden, dass Wasser bei den Wellenlängen, die wir mit unseren Augen sehen können, eine geringe Absorption aufweist? Gibt es eine Erklärung in der Art, "weil wir uns in einer Umgebung entwickelt haben, in der Wasser eine (einige wichtige) Rolle spielt, ist es daher nicht verwunderlich, dass unsere Augen empfindlich auf Wellenlängen reagieren, bei denen Wasser eine geringe Absorption aufweist"?

Gute Frage. Ich kann sehen, warum Glas transparent ist (in unserem Sonnensystem), aber ich habe mich nie gefragt, warum Wasser transparent ist.
Siehe auch: Warum ist Glas transparent? youtube.com/watch?v=Omr0JNyDBI0
Antwort: Wir wissen nicht, warum Wasser transparent ist. Das ist nicht verwunderlich, denn die Physik liefert niemals Antworten auf reine „Warum“-Fragen. Eine Frage wie "Papa, warum sind da Menschen?" kann weder von der Physik noch (bisher) von irgendeiner bekannten Art von Wissenschaft beantwortet werden. Die Physik beantwortet stattdessen „Was wird passieren, wenn…“-Fragen, die im Nachhinein zu „Was geschah, wenn…“-Fragen werden. Die letztgenannte Art von „Was“-Frage reicht oft als Antwort auf eine „Wie“-Frage aus.

Antworten (5)

Wasser ist für tiefes UV und Infrarot nicht transparent. Aus evolutionärer Sicht hat sich unser Auge entwickelt, um elektromagnetische Strahlung zu sehen, die in der Vergangenheit (und heute) auf der Erde vorhanden war - tiefes UV und Infrarot werden von Wasserdampf und anderen Gasen in der Atmosphäre absorbiert - also gab es bei diesen Wellenlängen nichts zu sehen.

Hier ist eine nette Erklärung, warum einige Dinge transparent sind und andere nicht: http://en.wikipedia.org/wiki/Transparency_and_translucency#Transparency_in_insulators

Grundsätzlich ist Wasser dielektrisch - und die meisten reinen Dielektrika sind transparent.

Spektren der Wasserabsorption

http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_absorption_by_water

Welche Beziehung besteht zwischen einem Dielektrikum und Transparenz im visuellen Spektrum?
Ist es ein Zufall, dass Licht/Energie aus der Wasserstofffusion weitgehend transparent für wasserstoffreiches H2O ist? Oder gibt es eine bekannte Eigenschaft von Wasserstoff, die diese Verbindung verursacht?
@ user6972 Dielektrika haben keine freien Elektronen - und reflektieren nicht alles Licht. Absorptionsbanden für diese Wasserstoff-Sauerstoff-Bindungen liegen im UV- und IR-Bereich.
@PatrickM Wasserstofffusion findet nur im Kern der Sonne statt. Die Sonne emittiert Licht, nur weil ihre Oberfläche heiß ist - also ist ihr Spektrum mehr oder weniger kontinuierlich.
Sehr interessant. Es war mir nie in den Sinn gekommen, dass der größte Teil der Strahlung der Fusion von der enormen Menge an Ersatzbrennstoff, die den Kern umgibt, absorbiert, abgelenkt oder reflektiert werden muss, aber es macht absolut Sinn.
Abgesehen von den Links beantwortet dies die Frage nicht. Ja, wir haben uns entwickelt, um Wellenlängen des Lichts zu sehen, die nicht von der riesigen Wassermenge absorbiert werden, die auf unserem Planeten herumschwappt. Aber Sie erklären nicht, warum Wasser eher IR- und UV- als beispielsweise grünes Licht absorbiert.
Dieses Diagramm zeigt auch, warum Wasser normalerweise blau/grün ist :)

Um diese Frage zu beantworten, müssen wir auch wissen, warum manche Dinge nicht transparent sind und warum bestimmte Dinge, zum Beispiel Wasser, sich nicht so verhalten.

Bei der Wechselwirkung einer Substanz mit Licht dreht sich alles um Wechselwirkungen zwischen Photonen und atomaren/molekularen Elektronen. Manchmal wird ein Photon absorbiert, der Absorber verweilt eine phantastisch kurze Zeit in einem angeregten Zustand, und dann wird ein neues Photon erneut emittiert, wodurch der Absorber in genau demselben Zustand zurückbleibt, in dem er sich vor dem Prozess befand. Impuls, Energie und Drehimpuls des Absorbers sind also die gleichen wie zuvor, das neue Photon hat also die gleiche Energie, den gleichen Impuls (dh die gleiche Richtung) und den gleichen Drehimpuls (dh die gleiche Polarisation) wie zuvor. Diesen Vorgang nennen wir Ausbreitung durch ein Dielektrikum, und anhand aller von mir genannten Erhaltungen können Sie leicht erkennen, dass ein solches Material transparent sein wird.

Manchmal jedoch koppelt der flüchtig angeregte Absorber seine überschüssige Energie, Impuls usw. an Absorber um ihn herum. Das Photon kann in molekulare (dh kovalente Bindungs-)Resonanzen einspeisen – lineare, rotatorische und all die anderen mikroskopischen mechanischen Freiheitsgrade, die ein Bündel von Absorbern hat. Das Photon wird möglicherweise nicht erneut emittiert, sondern seine Energie wird auf die absorbierende Materie übertragen. In diesem Fall ist das Material dämpfend oder undurchsichtig.

Das ausgezeichnete Diagramm von BarsMonster zeigt uns also , wo im Spektrum die innere Mechanik des Wassers dazu neigt, Photonen endgültig zu absorbieren (also wo es undurchsichtig ist) und wo es sich wie ein Dielektrikum verhält, indem es das Licht einfach durch Absorption und Reemission verzögert. In einer kurzen Antwort ist es unmöglich, das Warum und Warum des Graphen zu erklären, da seine Spitzen und Täler auf molekulare Resonanzen von sehr hoher Komplexität zurückzuführen sind. Die Grafik ist wirklich eine so gute einfache Zusammenfassung, wie man sie bekommen wird.

Es gibt jedoch noch ein letztes Stück des Wassertransparenz-Puzzles (im sichtbaren Licht), von dem ich glaube, dass nicht darüber gesprochen wurde, und das ist, dass Wasser eine Flüssigkeit ist . Dies bedeutet, dass es nicht mit internen Rissen und Fehlern versehen werden kann. Manchmal wird die Undurchsichtigkeit eher durch Streuung und Aberration als durch Absorption verursachtIch spreche von oben. Deshalb ist beispielsweise Schnee nicht transparent. Damit sich Licht durch ein Medium mit ausreichend geringer Aberration ausbreiten kann, dass wir das Medium als transparent wahrnehmen, muss das Medium optisch hochgradig homogen sein. Diese Homogenität tritt im Allgemeinen nur in nahezu perfekten Kristallen und in Flüssigkeiten auf, wobei letztere dazu neigen, etwaige Fehler durch Strömung und Diffusion auszugleichen und somit dazu neigen, sich selbst zu homogenisieren. Inhomogenität ist ein mächtiger Lichtblocker: Die vereinfachten Modelle der Mie- und Rayleigh-Streuung zeigen dies deutlich.

Zusammenfassend ist Wasser also bei sichtbaren Wellenlängen transparent, weil (1) molekulare Resonanzen und andere mechanische Absorptionsphänomene in Wasser bei sichtbaren Wellenlängen nicht dazu neigen, angeregt zu werden, und (2) es optisch homogen ist, was durch seine Beschaffenheit stark unterstützt wird eine Flüssigkeit.

Ich möchte nur erwähnen, dass Schnee zwar nicht "transparent" ist, aber viel Licht durchlässt, was einer der Gründe dafür ist, dass Gras stirbt, wenn Sie eine Plane darauf lassen, aber den Winter mit einem überstehen kann Schneeschicht die ganze Zeit drauf.

Das menschliche Auge enthält viel Wasser, daher wäre es schwierig, Wellenlängen zu sehen, die von Wasser absorbiert werden. Das Licht, das Ihre Netzhaut erreicht, muss Wasser passieren, daher werden die sichtbaren Wellenlängen des Lichts bis zu einem gewissen Grad davon bestimmt, für was Wasser transparent ist.

Das erklärt nicht, warum Wasser bei allen Wellenlängen transparent ist. Es ist ein Zufall, dass der Großteil der Energieabgabe unserer Sonne bei den Wellenlängen liegt, bei denen Wasser transparent ist. Wäre Wasser für die vorherrschenden Lichtquellen nicht so transparent gewesen, dann hätten wir lichtempfindliche Strukturen entwickelt, in denen das Wasser größtenteils ausgelöscht worden wäre.
@MarkAdler In der Tat. Wasser ist zu unserem Vorteil nicht farblos.
Unabhängig davon, wie sehr wir Farbe in Bezug auf das definieren, was wir wahrnehmen, könnte man sagen, dass wir Sinnesorgane entwickelt haben, die Wasser zu unserem Vorteil als farblos definieren. Vielleicht wäre es besser zu vermuten, dass die Wahrnehmung von Wasser als gefärbt die Fortpflanzungsfähigkeit von irgendetwas mit solchen seltsamen Sehorganen beeinträchtigt hat.
Wir nehmen Wasser nicht als farblos wahr. Es ist blau.
Das sieht aus wie eine Variation des anthropischen Prinzips. Wasser wäre für diesen Bereich des elektromagnetischen Spektrums immer noch transparent, wenn es keine Menschen gäbe, die es beobachten könnten.
@MarkAdler Es ist nur blau, wenn es genug davon gibt, bevor es genug Zeit hatte, einen Großteil der anderen Farben zu absorbieren. Sehen Sie sich das Diagramm zur Antwort von BarsMonster an.
@TomW Was Eli und Nick sagen wollten, war: Zuerst war da das Wasser, und dann entwickelte der Fisch ein Auge, das unter Wasser sehen konnte. Wenn also Wasser nur für das IR-Spektrum transparent wäre, würden unsere Augen nur das IR-Spektrum sehen.

Elektronische Energieniveaus werden quantisiert. Je größer der Kasten ist, in dem sich die Elektronen bewegen können, desto geringer ist die Energie, die für einen Übergang benötigt wird. H2O enthält nur 3 Atome (und noch dazu kleine), also ist die Box klein und die Übergänge liegen im UV. Dasselbe gilt für O2, CO2.

Reines Wasser ist transparent, weil es eine Flüssigkeit ist. Objekte, die nicht transparent sind, streuen entweder Licht aufgrund des Unterschieds im Brechungsindex zwischen Luft und der Substanz oder sie absorbieren alle Photonen bei der von Ihnen beobachteten Wellenlänge. Haut zum Beispiel ist hauptsächlich aufgrund der Streuung von sichtbarem Licht undurchsichtig.

Tatsächlich ist flüssiges Wasser blau, wenn Sie durch genug davon schauen, z. B. einen Meter oder mehr. Sie können dies einfach als Experiment tun. Moleküle absorbieren Energie in den Mikrowellen-, Infrarot- und sichtbaren und ultravioletten Teilen des Spektrums. Die genauen Wellenlängen variieren für jeden Molekültyp, da Moleküle unterschiedliche Formen, Bindungslängen und Winkel haben und somit die quantisierten Energieniveaus unterschiedliche Werte haben. Darüber hinaus schränkt die Symmetrie bestimmte Übergänge zwischen Energieniveaus ein.

Wasser hat somit Rotationsenergieniveaus (Mikrowellenbereich), Schwingungsenergieniveaus (Infrarotwellenlänge) und Ultraviolettübergänge. Wasser scheint im Sichtbaren farblos und transparent zu sein, aber wenn man durch einen langen Tupfer hindurchschaut, erscheint es blau. Dies liegt an schwachen Obertonabsorptionen von Infrarotübergängen, die im roten Teil des Spektrums absorbieren, das verbleibende durchgelassene Licht ist blau. Wenn Sie versuchen würden, durch eine Meile oder mehr reines Wasser zu schauen, bin ich mir sicher, dass es alle Photonen absorbieren und daher schwarz erscheinen würde.

Warum ist Wasser klar?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 4v