So blau ist das Meer: physikalische Entdeckungen am Wasser

„Am grauen Strand, am grauen Meer, und seitab liegt die Stadt …“. Vielleicht kennen Sie das bekannte Gedicht vonTheodor Storm über seine Heimatstadt Husum. In meiner Schulzeit konnte ich mir nicht erklären, wie ein Dichter so „grau“ über seine Heimat schreiben konnte. Graues Meer, wie schrecklich! So etwas gab es doch gar nicht. Das Meer war doch immer blau, jedenfalls auf allen Postkarten und Bildern. Auch den Astronauten zeigen sich die Meere in intensivem Blau. Heute weiß ich es natürlich besser: Meer ist, wie wir uns das wünschen, oft blau. Aber es kann auch grau, beige oder grün sein.

Bei oberflächlicher Beobachtung scheint das Meer die Farbe des Himmels widerzuspiegeln. Das Meer ist blau, wenn auch der Himmel blau über ihm leuchtet; es nimmt einen grauen Farbton an, wenn der Himmel wolkenverhangen ist. Und bei einem Sonnenuntergang kann man einen Streifen rotgolden glänzenden Wassers auf dem Meer erkennen. Auch der Mond spiegelt sich auf Gewässern, wenn er nur flach genug am Himmel steht.

Reflexion der Himmelsfarbe ist jedoch nur die halbe Erklärung für das unnachahmliche Blau des Meeres. Wie Ihnen bei Spaziergängen am Strand eines Meeres oder großen Sees vielleicht aufgefallen ist, nimmt das Meer einen umso intensiveren Blauton an, je weiter man darauf hinausschaut. Wenn man am Strand steht, hat man beinahe den Eindruck, als hätte jemand ein tiefblaues Band am Horizont ausgebreitet, um diesen zu markieren. Bei der Farbe des Meerwassers spielt nämlich nicht nur die Reflexion von Lichtstrahlen an seiner Oberfläche eine Rolle, sondern auch, wie das Licht unter Wasser auf dieses einwirkt. Wasser hat die Eigenschaft, das Sonnenlicht zu filtern.

Hat Wasser überhaupt eine Farbe?

Der Farbeindruck, den ein Gegenstand auf uns macht, hängt davon ab, wie das auf ihn fallende und gegebenenfalls in ihn hineingelangende Licht mit den Atomen und Molekülen des Stoffes wechselwirkt. Das Licht kann reflektiert, absorbiert oder gestreut werden. Diese Prozesse hängen einerseits von der Wellenlänge des Lichtes, also von dessen Farbe, andererseits aber auch von der Art der Moleküle und deren Bindung ab.

Welche Farbe hat also Wasser? Es erscheint, genauso wie Glas, durchsichtig: Durch ein mit Wasser gefülltes Glas kann man ohne Behinderung hindurchsehen, bei einer Pfütze kann man den Grund beobachten. Aber schon tiefere Seen nehmen einen bläulichen Schimmer an und in den größten Tiefen unserer Ozeane ist es stockdunkel. Wenn Sonnenlicht auf Wasser fällt, dann wird zunächst ein Teil des Lichtes an seiner Oberfläche reflektiert. Der Rest dringt in das Wasser ein und wechselwirkt mit seinen Molekülen, und dieser Effekt hängt von der Wellenlänge, also der Farbe des Lichtes, ab. Wassermoleküle absorbieren, also verschlucken, mit besonderer Vorliebe die langwelligen, also roten Anteile des Lichtes, sodass mit zunehmender Tiefe rote Lichtanteile völlig verschwinden. Jeder Taucher kennt diesen Effekt: Mit zunehmender Tauchtiefe verschwinden zuerst die roten, dann die grünen und schließlich auch noch die blauen Farbanteile. Im physikalischen Praktikum misst man als Student meist die Lichtabsorption des Wassers. Dabei zeigt sich, dass Wasser bereits am roten Ende des sichtbaren Spektrums eine schwache Absorption zeigt, die rasch anwächst, wenn man seine Untersuchungen in den langwelligeren Bereich, nämlich ins Infrarote, fortsetzt. Bei dieser Absorption werden die Moleküle zu Schwingungen gegeneinander angeregt.

Der kurzwelligere, blaue Anteil des Lichtes wird von den Wassermolekülen gestreut, also aus seiner ursprünglichen Richtung abgelenkt. Die Wasserteilchen strahlen das blaue Licht dann in alle Richtungen ab, dabei kehrt natürlich auch ein Teil des Streulichtes wieder zur Wasseroberfläche zurück. Dieser Anteil erzeugt den Blauschimmer. Er ist umso intensiver, je mächtiger die Wasserschicht, also je tiefer das Gewässer ist. Ein Blick aufs Meer beschert uns also mit zunehmender Tiefe auch intensiveres Blau. Ein reflektierender Untergrund, beispielsweise ein heller, nicht zu tief liegender Sandboden, kann den blauen Farbeindruck noch verstärken. Eindrucksvoll sichtbar wird das an flachen Mittelmeerstränden oder Südseeatollen, die das Sonnenlicht reflektieren und das Wasserblau zu einem charakteristischen Türkis verändern. So ist es auch kein Zufall, dass Schwimmbäder einen blauen Anstrich erhalten, das „Blau des Wassers“ wird dadurch angenehm betont. In einem Wasserglas oder einer Pfütze ist die Absorption und Streuung allerdings so gering, dass wir sie nicht wahrnehmen; Wasser in geringen Tiefen erscheint uns also durchsichtig.

Häufig wird jedoch die Farbe des Wassers durch alle möglichen Schwebstoffe verändert. Schon kleine Einschwemmungen gelöster Stoffe, winzige Organismen oder Dünger, der den Algenwuchs begünstigt, zerstören die intensive blaue Farbe des Wassers, da diese Teilchen größer sind und auch blaue Lichtanteile absorbieren können. Belastetes Wasser erscheint daher grünlich oder gar braun. Dass Meerwasser in der Nähe von Korallenriffen klar und blau ist, hat mit der Reinigungswirkung der Korallen zu tun. In der Nähe eines Strandes kann es durch aufgewühlten Sand grau oder beige sein. Und bedrohlich wird es, wenn sich das Meerwasser rot verfärbt. Ursache dieses „Rote Tiden“ genannten Phänomens sind kleine giftige Algen, die nicht nur das Ökosystem gefährden, sondern beim Menschen Hautirritationen und Durchfall verursachen.

Wasser ist immer in Bewegung

Sicher haben Sie schon am Strand eines Meeres oder Sees gestanden und die heranlaufenden Wellen beobachtet, eine Beschäftigung, d