九寨沟不得不说的“蓝”题

作者：李小辉 毛萍 孙庚（中国科学院成都生物研究所 中国科学院成都分院）

文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）

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有个神秘的仙境隐身在巍峨的岷山山脉，直到半个世纪前，它的真容才逐渐被外人知晓。潺潺流水穿行于山峦密林之间，形成了一个个令人心醉的蓝色海子。这里的湖泊如一块块蓝色翡翠，在阳光的照耀下变幻出各种色彩，如梦似幻；这里的湖泊又如一片片明镜，映照着山川草木、蓝天白云，呈现出“鸟在水中飞，鱼在天上游”的奇观。它就是九寨沟。

九寨沟五花海全貌 (图片来源：李小辉)

五花海是九寨沟最负盛名的景点，有“九寨精华”之美称。雪后海子的碧蓝与白雪相呼应，像极了童话世界。

九寨沟五彩池(图片来源：孙庚、朱大林)

五彩池是九寨沟颜色最为丰富的海子之一，以秀美多彩、纯净透明而闻名于世。五彩池也是九寨沟中最精致的海子，被誉为“九寨之眼”。

九寨沟的水蓝的耀眼，蓝的醉人，可是九寨沟的蓝究竟是什么蓝？你说是碧蓝，我说是绿松石蓝，他说是湖蓝，她说是翠蓝，这真的让人蓝（lan）上加难(nan)。喂，不要为难读者了，好吗？

关于Blue，那些你不知道的事情

除了九寨沟，世界上还存在着许多著名的蓝色湖泊。例如，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湖、新西兰南岛上的提卡波湖等。

看到这些水天相应的美景，没文化的我只会感叹，哇，天空好蓝啊，湖水好蓝啊！然而世界上总共存在着深蓝、钴蓝、道奇蓝、海军蓝等41种蓝色。和口红色号一样，每种蓝色都可以通过色号或者颜色RGB值区分。口红色号你可能很清楚，不过你知道上面那些湖的蓝分别是哪些色号吗？

PANTON 蓝色分类色卡图 (图片来源：百度百科)

在上面提到的湖泊中，各个湖泊由于地理位置、生态环境条件和水化学性质的差异，颜色也有不同。

粉末蓝

蓝湖温泉是冰岛最大的一处地热温泉，蓝湖的颜色呈现出一种近似牛奶状的粉末蓝。据研究，蓝湖的蓝色是由于温泉中一种特殊的蓝绿色海藻的存在，而牛奶色则得益于水体中大量的硅元素。

蒂芙尼蓝

提卡波湖位于新西兰南岛的南阿尔卑斯山脉东麓，属于冰川堰塞湖，湖水呈现出的蓝色属于“蒂芙尼蓝”。关于湖水的颜色成因，其实是湖水中悬浮的岩石微粒对太阳光的折射作用造成的。

绿松石蓝

熊湖和普利特维采湖群呈现出的则是明亮的绿松石蓝。熊湖和普利特维采湖群的颜色形成过程与碳酸钙颗粒相关。两个地区的地质构成都以石灰岩为主，湖水中溶解了大量的钙镁离子，水中高浓度的碳酸钙微悬浮颗粒对蓝绿光的反射作用使湖泊呈现出绿松石蓝。

深蓝

位于澳大利亚南部甘比尔山脉的蓝湖号称世界上最难（蓝）的湖。颜色会随着季节而变化。由于腐殖质对入射光的吸收作用，湖水在冬季呈现灰蓝色。在夏季，由二氧化碳脱气、温度升高而生成的方解石晶体与腐殖质存在共沉淀效应，其对湖泊表层的腐殖质浓度具有调节作用。加上方解石晶体本身有助于短波长光的散射，因此湖泊颜色会随着季节由灰蓝色向深蓝色转变。

原作者：Thom Devereux（图片来源：维基百科 有改动）

九寨沟蓝（它是哪种蓝？）

一般认为，不同物体对光的反射、吸收、散射情况不同，因此呈现出不同的色彩。就像上面提到的各种湖泊，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、冰川粉等较小粒径颗粒物的存在使湖水对太阳光具有独特的反射、散射特性，因而湖泊会呈现出蓝色。

九寨沟内的湖泊大多数属于喀斯特湖泊，其水体颜色的形成与低浊度的湖水和水中存在的碳酸钙颗粒相关，悬浮碳酸钙颗粒对入射光线的瑞利散射、米氏散射作用可使湖水呈现蓝色，而各个方向散射强度的差异，湖泊深度和水质的差异又赋予了湖泊五彩斑斓的蓝。

我来告诉你，九寨沟蓝到底是哪种蓝

虽然喀斯特湖泊颜色的形成原因有过研究，但是由于喀斯特地区特殊的水文系统和地理环境，导致湖泊颜色形成机制错综复杂，研究难度较大。有关九寨沟等高原喀斯特湖泊的蓝色形成机制研究更是缺乏，关于湖泊呈现出“五彩斑斓蓝”的原因也没有科学、合理的解释。

目前，中国科学院成都生物研究所研究员孙庚团队的硕士研究生李小辉等人通过高光谱设备，并结合室内水化学分析方法，首次将九寨沟喀斯特湖泊颜色进行定量化，揭示了九寨沟举世闻名的蓝色喀斯特湖泊颜色形成机制，建立了湖泊水质和颜色的回归方程，合理解释了九寨沟湖泊五彩斑斓的蓝色成因，并将方程运用到了湖泊颜色的预测中。

下面我们来讲一讲这个研究是咋做的~

1. 颜色也能“量化”

为了解释九寨沟湖泊颜色的形成原因，研究人员首先要将颜色进行定量化。

在理解这个颜色量化过程前，有必要先说说人眼究竟是怎么感知到颜色的。

我们都知道，颜色是眼睛、大脑所产生的一种对光的视觉感受。白光可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光。人眼中由于存在红、绿、蓝锥体细胞所以我们对红、绿、蓝光最为敏感。我们所感知到的大多数颜色都可以通过红、绿、蓝三原色按照不同的比例混合而成，这就是著名的“三色学说”。不同颜色的物体，由于反射光形成的光谱特征分布不同，进入到人眼后，被三种锥体细胞选择性吸收，经过一系列的光化学反应后在大脑形成了物体的颜色。

人眼颜色感知原理简图 （图片来源：李小辉）

看到这里，很多人可能一头雾水，下面就举个栗(例)子说明。

在雨过天晴或天气晴朗时，天空往往是蓝色的。这是由于此时大气中的悬浮颗粒比较少，在大气分子的强烈选择性散射作用下，蓝光从太阳光中散射开，从而弥漫到整个大气层，进入到人眼中的蓝光占据了绝大部分，这使我们感觉到天空是蓝色的。

蓝色天空与海洋（图片来源：毛萍）

研究人员以人眼颜色感知原理为理论基础，借助高光谱设备(ASD FieldSpec HandHeld 2便携式地物光谱仪)测定出人眼可见光范围内(380nm-780nm)湖泊水体各取样点的离水辐亮度数据（光经过水体后返回大气界面的光谱辐射）。借鉴色度学理论，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。又通过XYZ值计算出色坐标(x,y)，对应CIE1931色品图即可确定各取样点的颜色。也可以通过Matlab软件进行矩阵运算后计算出每个取样点处的颜色RGB值。这样，通过模拟人眼感知颜色的过程，研究人员测定出湖泊水体的光谱数据后，就可将复杂的湖泊颜色定量化为简单的颜色RGB值。这有利于后续颜色形成机制研究的开展，也为探究湖泊颜色和水质的关系奠定了坚实的基础。

上面的原理是干货，下面直接上图！

湖泊颜色测定过程示意图（图片来源：李小辉）

湖泊颜色的定量化测定过程可以看作人眼感知到颜色的过程。高大上的ASD地物波谱仪可以近似看作接收入射光的人眼，而复杂的积分和矩阵计算实际上就是模拟人眼中的一系列光化学反应。

在分析了湖泊的离水辐亮度数据后，研究人员发现，九寨沟水体对可见光的吸收、反射、散射作用具有强烈的波长选择性，反射光中蓝绿光比例显著高于红光，这是与湖泊独特的水环境条件密切相关的，并直接决定了人眼观察到的湖泊颜色。根据测得的数据，五花海水体反射红、绿、蓝光比例平均为9.2%、49.6%、41.2%，反射光的这种独特组成使得人眼观察到的湖泊颜色为明亮的蓝绿色。

2.水里“藏着”的颜色秘密

为了探究湖泊水体对可见光选择性反射、散射的原因，研究人员同时采集了湖泊水样进行室内水化学分析。

经过研究后发现，九寨沟湖泊水体浊度较低，除个别样点外，大部分水域浊度在0.69NTU左右，透明度极高。肉眼观察，湖水基本与罐装怡宝相差无几。究其原因，原来九寨沟喀斯特湖泊水体主要来自大气降水、高山融雪水和地下岩溶水补给，本身就含沙量少、洁净度高。加上九寨沟风景区湖岸植被丰富，地表径流较少，水体含沙量低，这使得湖泊水体浊度较低而透明度极高。试想，如果湖水中泥沙含量多，是无论如何也无法呈现出漂亮的蓝色。

光清澈还不够，九寨沟湖泊中独特的钙华颗粒才是湖泊颜色形成的关键。九寨沟湖泊水化学类型属于Ca2+-HCO3- 、Mg2+-HCO3-型，水体中含有丰富的Ca2+、HCO3-，且这些离子浓度要高出普通的高原湖泊数倍以上。如此高浓度的Ca2+、HCO3- 以及碱性的水体环境使得湖水的方解石饱和指数（SIC）较高，即湖泊中有大量的钙华(碳酸钙)颗粒物存在。这些钙华颗粒由于瑞利散射而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。而且钙华沉积过程对磷酸盐等营养物质具有固定作用，碳酸钙与水形成的胶体溶液也具有溶解沉淀效应，可以吸附湖水中的悬浮杂质，对水体具有净化作用，这进一步降低了湖泊浊度。钙华颗粒对太阳光的瑞利散射和低浊度相互作用，使得湖水以反射、散射短波长可见光为主，但人眼对可见光中的紫光不敏感，所以我们感知到的湖泊颜色主要呈蓝绿色。

那么问题来了，湖泊五彩斑斓的蓝色又该如何解释呢？上文提到碳酸钙颗粒物由于瑞利散射作用而选择性反射和散射了可见光中波长较短的蓝绿光。其实在瑞利散射过程中，光线在各个方向上的散射强度也是不一样的，这使得从不同角度观察湖面，湖泊会呈现出不同深度的蓝色。同时，由于湖泊清澈度较高，当湖泊达到一定深度时，高洁净度的水体选择性吸收了红光等长波长可见光而主要反射短波长的蓝绿光，此时湖泊越深，人眼观察到的湖泊颜色就越蓝。因此，在相同湖泊的不同水域，如果深度出现差异，那么湖水常常也会呈现不同程度的蓝色。除此之外，不同湖泊、不同季节，由于水质特性的差异会直接导致钙华沉积速率的改变，所以不同的湖泊反射短波长蓝绿光的能力也不尽相同。以上几个因素造就了景区内同一条沟不同湖泊，同一湖泊不同水域，同一湖泊不同季节的蓝色程度出现差异。这便是九寨沟五彩湖泊这一奇特景观的形成原因。

九寨沟喀斯特湖泊颜色形成机制示意图

（图片来源：李小辉）

碳酸钙与湖水形成的胶体溶液具有溶解沉淀效应，能够吸附湖水中的悬浮杂质，使得湖泊水体清澈透明；当湖泊达到一定深度时，透明水体对入射光中的红光等长波长光具有强烈的吸收作用而主要反射蓝绿光；再加上喀斯特湖泊水体中的碳酸钙颗粒对入射光的选择性反射、散射作用，使得进入到人眼中的短波长蓝绿光比例较高，故人眼感知到湖泊为蓝绿色。

九寨沟五花海不同深度取样点的蓝(图片来源：李小辉)

纯净水体对750-760nm波长处可见光的吸收率达到最大，当湖泊达到一定深度时，湖泊水体大量吸收长波长红光，并以反射、散射蓝绿光为主。此时，湖泊越深的地方颜色越蓝。

3.用方程预测颜色

通过相关性分析、冗余分析等分析方法，研究人员发现湖泊的颜色与水质的变化密切相关。为了进一步探究水质变化对湖泊颜色可能的影响，研究人员将水化学分析获得的水质数据与湖泊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：

方程中的自变量是透明度、离子浓度、电导率、溶解氧等水质指标，因变量是颜色R值和B值。借助这个回归方程，可以通过测定湖泊水质进而预测湖泊的颜色变化。研究人员将2019年7、8、9月测得的水质数据代入到方程中，预测了九寨沟五花海、镜海、犀牛海湖泊的颜色变化。从预测结果可以直观看出，湖泊颜色随着季节的变化颜色逐渐由蓝色转变为绿色。

九寨沟湖泊颜色预测 (图片来源：李小辉)

不要小瞧这个方程，今后或许就可以通过监测湖泊水质变化进而预测湖泊的颜色变化，从而更好的保护九寨沟美丽的湖泊。类似的方法也能运用到其他的湖泊中。

通过上面的内容，是不是已经对九寨沟蓝色湖泊有了更深的了解呢？九寨沟是大自然赐予人间的宝贝，神奇的九寨沟还有很多秘密值得我们去探索，保护她就是保护人类赖以生存的环境。

后记：最科研的炫富

——我在九寨沟划过船

在实验过程中，为了测定出每个湖泊不同取样点的颜色，研究人员常常需要划船到湖中心采集水样并收集光谱数据。

你以为的采样是这样：

九寨沟游客照 (图片来源：邓先智)

But，事实却是这样的：

正正经经工作照 (图片来源：李小辉、张梦琪)

游玩的时光总是短暂而美好~ 清醒过来就该搬砖了。

漂在九寨沟湖面的不一定是仙女，还有可能是取样测样的科研er。当我跟人拼简历的时候，前面那个人吹“我给熊猫擦过屁股，取过熊猫粪便”；我只有作诗一首来表达自己的傲娇：“常记九寨日暮，取样不知归路。事尽晚回舟，误入科研深处……”

参考文献：

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3.Dierssen, H.M.; Kudela, R.M.; Ryan, J.P.; Zimmerman, R.C. Red and black tides: Quantitative analysisof water-leaving radiance and perceived color for phytoplankton, colored dissolved organic matter,and suspended sediments. Limnol. Oceanogr. 2006, 51, 2646–2659.

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