美麗冰川下的科學

真相追追追

對於這些年代久遠的冰川底部為何會呈現藍色的機制,先來看一部對此現象提出解釋的影片

影片在2分5秒處提及「without those air bubbles, white light isn’t scattered. 由於(被壓縮後的冰中)沒有這些氣泡了,因此白光就不會被散射」,這個”散射”的解釋有誤^^。更精準的說法應該是”漫反射 diffuse reflection”,這就如同把冰塊敲碎後會呈現白色,或是在白紙上塗油會變透明,二者都是相同的機制。當冰中有氣泡時,透進冰中的光碰到氣泡界面就會產生部分反射部分透射,由於界面並非平面,所以光線是不規則反射。氣泡越多,就越容易在入射側看到被反射的白光,而這也是結凍湖面在裂開的冰隙處會呈現白色的原因

3分53秒處使用「Overtone 泛音」來解釋 吸收帶 原本是在紅外區,但是為何在可見光區也能被吸收的原因。泛音是指振動體的不同振動模式,比如弦上的駐波

對於水這種有 偶極矩 的分子而言,因為分子在振動時會改變電荷的分布狀態,從而產生偶極矩的變化,它的共振頻率就是發生在紅外區,亦即具有吸收紅外線的 吸收帶

由於波長更短的區域在上圖中並未繪出,來對照一下wiki提供的圖。下圖在可見光範圍內有三條很微弱的吸收峰,分別是紅光邊界處的698nm,與605nm、660nm↓

這些微弱的吸收峰是分別由水分子的3種振動模式(不對稱伸縮、對稱伸縮、彎曲)所組合而成的 Overtones,其中698nm是由不對稱伸縮與對稱伸縮2種模式所組合,660nm則是由3種模式共同組成,有興趣更進一步瞭解細節的朋友們,請參考→〈Why is water blue?〉、〈Fermi resonance〉。

結論:
冰川內底部之所以呈現藍色,不是來自天空散射的藍光所照射,而是水分子中OH的伸縮振動與彎曲振動的組合頻吸收峰(overtone peaks)位於紅光區,因此白光在穿透潔淨的冰時紅光會被吸收(然後轉變成熱能),這個吸收的強度雖然不大,但是穿過越厚的冰層之後,白光中的紅光強度就會越弱,冰層因而呈現藍色或藍綠色;海洋深處的海水呈現藍色也是相同的機制。