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」,在這個例子中使用”散射”的用詞不太精準,其實這是”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

影片3分53秒處十分精采,其使用「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;海洋深處的海水呈現藍色也是相同的機制。

最後來聊一段物理史,一位早在16歲時就已熟悉 瑞利散射定律 的年輕人,在航行於地中海的客輪上對海水的深藍色著了迷,決定要追究海水顏色的來源。他注意到瑞利的一段話值得商榷,因為瑞利曾說:「深海的藍色並不是海水的顏色,這只不過是天空藍色被海水反射所致」,於是這位年輕人在啟程去英國時,行李中特別準備了 尼科爾稜鏡 、望遠鏡與光柵等實驗器材。他將望遠鏡的物鏡與目鏡端各裝上尼科爾稜鏡來當作起偏器和檢偏器,然後觀察沿著布魯斯特角從海面反射來的光線。由於其中已經消去來自天空的藍光,這樣看到的光應該就是海水本身的顏色,但他竟然觀察到比天空還深的藍色。他隨即又用光柵分析了海水的顏色,發現海水光譜中的最大值比天空光譜的最大值更偏藍,由此可知海水的顏色並非是反射天空的顏色,而是海水本身的一種性質,他認為這一定是起因於水分子對光的散射所造成,這位年輕人就是提出 拉曼散射 並於1930年獲得諾貝爾物理學獎的 錢德拉塞卡拉·拉曼(Sir Chandrasekhara Raman)。

C.V. Raman and the Colour of the Sea