我们的海洋系列（24）海洋的透明度和颜色

张武昌 2021年8月21日星期六

上一篇介绍了海洋的气味，这一篇咱们聊聊大海的颜色。

在早期的海洋研究中，通常将海水装到一个容器中，通过目视检查透明度，用清澈、雾状和浑浊来表示。为了研究光线在海洋中的穿透性（透明度），航海人和早期科学家将白色物体沉入海中观察透明度。天文物理学家Angelo Secchi赛奇（或赛基）在1865年发明了一个白色的圆盘（赛奇盘Secchi Disk），用铅锤等重物下放到一定深度，当白色圆盘开始看不到的深度即为赛奇深度（Secchi depth），学术上简写为Z_SD。赛奇虽然是天文学家并在天文学上获得很大成就，但是他在海洋科学家群体中既没有学术声望也没有政治影响力，他在参加的唯一一个航次中发明了赛奇盘并成为后来广泛使用的研究透明度的标准海洋科学仪器，且被用自己的名字命名，这一点着实了不起。

赛奇盘

赛奇雕像

我们看到的海洋的颜色不是海水的颜色，所以不能把海水装进瓶中观察颜色。海洋的颜色受很多因素的影响。光线进入大海，不同波段的光在海水中的衰减速度是不一样的。在纯净的海水（没有任何悬浮颗粒和溶解有机物质）中，蓝紫光衰减的速度最慢，并被海洋散射和反射回大气中。天空的颜色（晴朗或有云）也会影响观察。海水的颜色受到海底（深度和海底颜色）和海水内含物质的影响。如果海底足够深（深不见底），我们看到的就只是这些光线，所以海洋会呈现蓝紫色；如果海底较浅，海底就反射一些光线，所以海水的颜色就受海底的影响了，例如热带沙滩，海水就不是蓝色了。如果海水中有悬浮颗粒和溶解有机物质，它们会反射和散射不同波长的光，使得海水呈现不同的颜色。如果海水中发生赤潮，大量的浮游藻类（悬浮颗粒）也会使得海水变色。

不同颜色的光在海洋中的穿透深度示意图

当海面有覆盖时，无法测量透明度和颜色。最出名的海面覆盖是泡沫状态的卡布奇诺咖啡海岸，水体溶解的大量有机物质在强风搅拌下形成大量泡沫，被海风吹向岸边并登陆。另一种海面覆盖是海面平静的情况下出现的海鼻涕（如马尔马拉海）。风浪太大或轮船驶过造成强扰动时，海面会有大量泡沫，导致海水泛白，这时不能测定海洋颜色。

卡布奇诺咖啡海岸

为了定义海洋的颜色，科学家们给出了色标进行比对。1890年，Francois Alphonse Forel发明了包含11个颜色（从蓝色到绿色）的色标，1892年Willi Ule增加了从绿色到褐色的10个颜色，合并在一起共有21个颜色，称为Forel-Ule色标（FU）。

FU色标

经过多年的实践，最终确定了水色的测定方法。现在，水色的测定方法与赛奇盘挂钩，先测定赛奇深度，再将赛奇盘提到赛奇深度的一半，观察赛奇盘上方水体的颜色，与FU色标比对，给出读数。

用FU色标和赛奇盘测定海洋水色

现在卫星科技的发展，使得可以通过卫星遥感获得透明度和水色的信息。科学家将卫星获得的海洋光谱信息转化成透明度和水色，仍旧使用赛奇深度和FU色标。下图是1997-2018年平均的赛奇深度和FU水色读数的全球海洋分布情况，可见亚热带大洋环流区有最大透明度（多大于50米），FU读数最小（1-2之间）。其中南太平洋环流的透明度最大，大于60米，是全球海洋最清澈透明的海水。

海洋赛奇深度Z_SD，单位米

海洋FU水色

2015年的一项研究发现，从1997年到2010年，海洋的透明度在北半球海洋是增加的，而南半球海洋是减少的，南大洋减少最为明显。全球平均来看，海洋的平均透明度在1991-1999年呈减少趋势（每年减少0.85 米），而2000-2010年每年增加0.04米，这一趋势可能与1998-1999年海面平均温度快速下降和2000-2010年温度逐渐回升有关。

自1889年以来全球海洋的FU读数被用来指示海洋表层叶绿素的长期变化，发现印度洋和太平洋的叶绿素浓度有所下降，大西洋、地中海、中国海和日本西部海域叶绿素浓度增加。不同海区的叶绿素浓度变化与这一海区的气候、水文和生物特征有关，没有一致的变化趋势。

中国南海FU读数的长期变化