¿Por qué el agua es clara?

Question

El agua parece transparente a la luz visible, pero la mayoría de los demás objetos son opacos. ¿A qué se debe esto? ¿Existe una explicación de por qué el agua parece transparente?

¿El agua es transparente en todas las longitudes de onda o las longitudes de onda visibles son especiales? Si no es transparente en todas las longitudes de onda, ¿hay alguna explicación evolutiva por la que esperaríamos que el agua tuviera una baja absorción en las longitudes de onda que podemos ver con nuestros ojos? ¿Hay alguna explicación en la línea de "porque evolucionamos en un entorno en el que el agua juega un papel (importante), por lo que no es sorprendente que nuestros ojos sean sensibles a las longitudes de onda en las que el agua tiene una baja absorción"?

Answer 1

El agua no es transparente para los rayos UV e infrarrojos profundos. Desde el punto de vista evolutivo, nuestro ojo se desarrolló para ver la radiación electromagnética presente en la Tierra en el pasado (y ahora) - los UV e infrarrojos profundos son absorbidos por el vapor de agua y otros gases de la atmósfera - por lo que no había nada que ver en estas longitudes de onda.

Aquí hay una buena explicación de por qué algunas cosas son transparentes y otras no: http://en.wikipedia.org/wiki/Transparency_and_translucency#Transparency_in_insulators

Básicamente, el agua es dieléctrica, y la mayoría de los dieléctricos puros son transparentes.

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

Answer 2

Para responder a esta pregunta también necesitamos saber por qué algunas cosas son no transparente y por qué ciertas cosas, el agua por ejemplo, no se comportan así.

Una sustancia interacción con la luz tiene que ver con las interacciones entre los fotones y los electrones atómicos/moleculares. A veces se absorbe un fotón, el absorbente permanece un tiempo fantásticamente corto en un estado excitado y luego se reemite un nuevo fotón, dejando al absorbente en exactamente el mismo estado que tenía antes del proceso. Así, el momento, la energía y el momento angular del absorbente son los mismos que antes, por lo que el nuevo fotón tiene la misma energía, el mismo momento (es decir, la misma dirección) y el mismo momento angular (es decir, la polarización) que antes. Este proceso lo llamamos propagación a través de un dieléctrico, y, por todas las conservaciones que nombro, puedes ver fácilmente que tal material será transparente.

Sin embargo, a veces el absorbente fugazmente excitado acopla su exceso de energía, impulso y demás a los absorbentes que lo rodean. El fotón puede alimentar resonancias moleculares (es decir, enlaces covalentes), lineales, rotacionales y todos los demás grados microscópicos de libertad mecánica que tiene un grupo de absorbentes. Puede que el fotón no se reemita, sino que su energía se transfiera a la materia absorbente. Cuando esto ocurre, el material se atenúa o se vuelve opaco.

Así que, El excelente gráfico de BarsMonster nos muestra en qué parte del espectro la mecánica interna del agua tiende a absorber definitivamente los fotones (por lo tanto, en qué parte es opaca) y en qué parte se comporta como un dieléctrico, simplemente retrasando la luz mediante la absorción y la reemisión. En una respuesta breve, es imposible explicar los porqués del gráfico, ya que sus picos y valles se deben a resonancias moleculares de gran complejidad. El gráfico es el mejor resumen que se puede obtener.

Sin embargo, hay una última pieza en el rompecabezas de la transparencia del agua (en luz visible) de la que creo que no se ha hablado y es el agua es un líquido . Esto significa que no se puede remachar con grietas y defectos internos. A veces la opacidad es causada por dispersión y la aberración en lugar de la absorción De la que hablo arriba. Por eso la nieve no es transparente, por ejemplo. Para que la luz se propague a través de un medio con una aberración lo suficientemente baja como para que lo percibamos como transparente, el medio debe ser ópticamente muy homogéneo. Esta homogeneidad sólo se da, por lo general, en los cristales casi perfectos y en los líquidos, ya que estos últimos tienden a suavizar cualquier defecto mediante el flujo y la difusión y, por tanto, tienden a autohomogeneizarse. La falta de homogeneidad es un poderoso obstáculo para la luz: los modelos simplificados de dispersión de Mie y Rayleigh lo demuestran de forma decisiva.

En resumen, el agua es transparente en las longitudes de onda visibles porque (1) las resonancias moleculares y otros fenómenos mecánicos de absorción no tienden a excitarse en el agua en las longitudes de onda visibles y (2) es ópticamente homogénea, propiedad a la que contribuye en gran medida su condición de líquido.

Answer 3

El ojo humano contiene una gran cantidad de agua, por lo que sería difícil ver las longitudes de onda que son absorbidas por el agua. La luz que llega a la retina tiene que atravesar el agua, por lo que las longitudes de onda visibles de la luz están determinadas en cierta medida por aquello a lo que el agua es transparente.

Answer 4

Los niveles de energía electrónica están cuantizados. Cuanto mayor sea la caja en la que pueden moverse los electrones, menor será la energía necesaria para una transición. El H2O sólo contiene 3 átomos (y pequeños), por lo que la caja es pequeña y las transiciones se producen en el UV. Lo mismo ocurre con el O2 y el CO2.

Answer 5

El agua pura es transparente porque es un líquido. Los objetos que no son transparentes o bien dispersan la luz, debido a la diferencia de índice de refracción entre el aire y la sustancia, o bien absorben todos los fotones en la longitud de onda que se está observando. La piel, por ejemplo, es opaca debido en gran parte a la dispersión de la luz visible.

De hecho, el agua líquida es azul si se mira a través de ella lo suficiente, como un metro o más. Puedes hacer esto fácilmente como un experimento. Las moléculas absorben energía en las microondas, el infrarrojo y las partes visible y ultravioleta del espectro. Las longitudes de onda exactas varían para cada tipo de molécula, ya que las moléculas tienen formas, longitudes de enlace y ángulos diferentes y, por tanto, los niveles de energía cuantificados tienen valores diferentes. Además, la simetría restringe ciertas transiciones entre niveles de energía.

Así, el agua tiene niveles de energía rotacional (región de microondas) , niveles de energía vibracional (longitud de onda infrarroja) y transiciones ultravioletas. El agua parece ser incolora y transparente en el visible, pero si se mira a través de un palmo largo de ella parece ser azul. Esto se debe a las débiles absorciones de transiciones infrarrojas que absorben en la parte roja del espectro, el resto de la luz transmitida es azul. Si se intentara mirar a través de una milla o más de agua pura, estoy seguro de que absorbería todos los fotones y, por tanto, aparecería negra.