Frage:

Wie entsteht die Farbe des Meerwassers?

Antwort:

Die Farbe des Meerwassers entsteht durch die Wechselwirkung der einfallenden Sonnenstrahlung mit dem Meerwasser und den darin gelösten und suspendierten (schwebenden) Wasserinhaltsstoffe. Verfälscht werden kann die Wasserfarbe durch den Meeresboden im Flachwasserbereich, durch Substanzen auf der Oberfläche oder durch Oberflächenreflexionen.

Substanzen an der Oberfläche, die Verfälschungen der Wasserfarbe erzeugen, sind Öl, akkumulierende Algen (Cyanobakterien, Blaualgen) oder auch Schaum. Im Flachwasserbereich kann der Meeresboden durch unterschiedliche Substrate wie Sand, Steine, Großalgen oder Muschel die beobachtete Farbe sehr unterschiedlich erscheinen lassen. In Abhängigkeit von den atmosphärischen Bedingungen wie Bewölkung, Nebel, Sonnenhöhe und dem Blickwinkel des Beobachters können an der Wasseroberfläche Totalreflexionen des Himmels oder der Sonnenstrahlung entstehen, z.B. bei bedecktem Himmel oder Nebel und kleinem Blickwinkel sieht der Beobachter die Totalreflexion des Himmels und bei klarem Himmel und geringem Sonnenstand die der Sonnenstrahlung.

Man erkennt also die wirkliche Farbe des Meerwassers am besten, wenn man möglichst senkrecht in das Wasser schaut. Die Farbe erkennt man besser, wenn man eine weiße Scheibe, eine so genannte Secchi-Scheibe, so tief ins Wasser lässt, bis sie gerade noch sichtbar ist. Die erste zahlenmäßige Erfassung der beobachteten Farbe erfolgte durch Vergleich mit einer Farbskala, die Herr Forel Ende des 19. Jahrhunderts entwickelt hat. Um die Oberflächenreflexion dabei auszuschalten, wurde teilweise ein Beobachtungsrohr ins Wasser getaucht, dass durch lichtundurchlässige Seitenwände Streulicht ausschaltete. Heute wird die Farbe durch Messung der aus dem Wasser zurück gestreuten Strahlung im sichtbaren Spektralbereich (400-700nm) mit Hilfe von Spektrometern quantitativ erfasst. Zur Erfassung des Einflusses verschiedener Inhaltsstoffe muss die Messung möglichst spektral hoch aufgelöst erfolgen. Oberflächeneinflüsse werden ausgeschlossen, wenn die Messung der aus dem Meerwasser zurückgestreute Strahlung unter der Wasseroberfläche durchgeführt wird. Bezieht man diese Größe auf die Einstrahlung gemessen über der Wasseroberfläche erhält man eine von der Einstrahlung weitgehend unabhängige Farbinformation die diffuse Reflexion oder Reflektanz.

Die spektrale Reflektanz (Farbe) ist abhängig von der Konzentration und Zusammensetzung der optisch wirksamen Wasserinhaltsstoffe und speziell ihrer Absorptions- und Streueigenschaften. Die Reflektanz ist proportional dem Verhältnis aus Rückstreu- und Absorptionskoeffizient, d.h. alles was an Strahlung absorbiert (von Inhaltsstoffen aufgenommen wird) kann nicht zurückgestreut werden. Aus dem Spektralbereich, in dem die Absorption am geringsten ist, wird am meisten Licht zurückgestreut. Dieser Bereich der Spektrums bestimmt dann die Wasserfarbe. Optisch wirksame Wasserinhaltsstoffe sind suspendierte organische und anorganische Partikel (Phytoplankton, mineralische Teilchen, Algenskelette) und gelöste organische Substanzen (Gelbstoffe).

Im klarsten Ozeanwasser (Sargasso See im Atlantik, Wüste des Ozeans), in dem keine optisch wirksamen Wasserinhaltsstoffe enthalten sind, bestimmt die Absorption des reinen Meerwassers und die Rückstreuung an den Wassermolekülen die Wasserfarbe. Die Absorption des reinen Meerwassers weist ein Minimum im violetten bis blauen Spektralbereich (400-440nm) auf, wodurch die tiefblaue Farbe entsteht. Geringste Konzentrationen von pflanzlichem Plankton (Phytoplankton) bewirken im offenen Ozean schon Veränderungen in dem Blau der Wasserfarbe. Die organischen Teilchen streuen das Licht zurück, wodurch sich die Rückstrahlung erhöht und die Farbe heller wird. Zusätzlich absorbieren die im Phytoplankton befindlichen Pigmente Licht verschiedener Wellenlänge für die Photosynthese. Das wichtigste Pigment, das Chlorophyll_a, hat zwei Absorptionsmaxima bei 440 nm (blau) und 663 nm (rot). In produktivem Ozeanwasser dominiert das Phytoplankton die Absorption speziell im blauen Spektralbereich, wodurch sich das Maximum der Rückstrahlung in den blaugrünen Spektralbereich verschiebt. Im Ozean können auch Algenblüten auftreten, die durch Algen (Coccolithophoriden) dominiert sind, die ein Kalkskelett haben, das das Licht stark reflektiert. Dadurch verfärbt sich das Wasser milchig türkis. Diese Blüten treten auch jedes Jahr im Kattegatt, Skagerrak und in der Nordsee auf. Eine ähnliche Verfärbung kann in küstennahen Bereichen z. B. vor Namibia auftreten, wenn in besonderen Situationen schwefelwasserstoffhaltiges Wasser mit dem Auftrieb an die Oberfläche transportiert und das H2S zu Schwefel oxidiert wird. Das sind sporadisch auftretende Prozesse und spezielle Phänomene.

Im Küstenbereich können durch Erosion oder durch Flusseintrag anorganische Teilchen in die Wassersäule gebracht werden. Sie erzeugen nur in speziellen Gebieten eine farbliche Veränderung, trüben aber in den meisten Fällen nur das Wasser. Werden aber mit den Flüssen gelöste Huminstoffe (Gelbstoffe) durch Entwässerung von Moorgebieten oder als Abfallprodukt von Zellulosefabriken eingetragen bzw. entstehen sie als Abbauprodukte in hoch produktiven Gebieten verändern sie durch ihre starke Absorption die Wasserfarbe. Die braune Farbe kann man sehr schön an einer Moorwasserprobe erkennen. Die Gelbstoffabsorption weist einen charakteristischen exponentiellen Anstieg mit abnehmender Wellenlänge auf, wodurch das blaue Licht absorbiert wird. Bei geringen Konzentrationen wie in der offenen Ostsee entsteht dadurch eine grüne Wasserfarbe und in Flusswasser bei höheren Konzentrationen eine bräunliche Farbe. Bei sehr hohen Konzentrationen in so genannten "Schwarzwasserflüssen" wie z. B. auf Sumatra absorbieren sie zusätzlich das grüne und gelbe Licht und es entsteht eine dunkle rotbraune Färbung.

Neben diesen Veränderungen der Wasserfarbe durch die wesentlichen optisch wirksamen Inhaltsstoffe einschließlich des Schwefels und der streuenden Algen, kann die Wasserfarbe auch durch weitere Besonderheiten verändert werden. Als Beispiel seien hier die Cyanobakterien genannt, die durch ihre Flockenbildung das Wasser auch eintrüben und gelblich färben, bis sie bei ruhiger See sogar Matten an der Wasseroberfläche bilden. Ein Blüte der Red Tides kann das Wasser rötlich färben. Starke Erosionen in Gezeiten geprägten Flüssen tropischer Gebiete mit farbigen Böden können natürlich auch die Wasserfarbe in den Küstengebieten verändern.

Diese Darstellung soll verdeutlichen, dass die Wasserfarbe durch das Meerwasser selbst sowie die Konzentration, Zusammensetzung und Absorption- und Streueigenschaften optisch wirksamer Wasserinhaltsstoffe erzeugt wird und durch Oberflächenfilme, den Meeresboden im Flachwasserbereich und durch Oberflächenreflexionen der Atmosphäre verfälscht werden kann und dem Beobachter dadurch zusätzlich Variationen vortäuscht.

Das Wissen über die Entstehung der Wasserfarbe und die Wirkung der verschiedenen Inhaltsstoffe wird seit längerer Zeit genutzt, um die beschriebenen Größen und Prozesse aus Satelliten mit optischen Sensoren zu erfassen.

Die Frage wurde beantwortet von Dr. Herbert Siegel, IOW, Sektion Physikalische Ozeanographie.