Jiuzhaigous „Blaue“ Ausgabe

Autor: Li Xiaohui, Mao Ping, Sun Geng (Chengdu Institute of Biology, Chinesische Akademie der Wissenschaften, Zweigstelle Chengdu, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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In den majestätischen Min-Bergen liegt ein geheimnisvolles Märchenland verborgen. Sein wahres Aussehen war Außenstehenden bis vor einem halben Jahrhundert unbekannt. Das gurgelnde Wasser fließt durch die Berge und dichten Wälder und bildet eine Reihe bezaubernder blauer Seen. Die Seen hier sind wie Stücke aus blauem Jade, die im Sonnenlicht wie ein Traum verschiedene Farben annehmen. Auch die Seen hier sind wie Spiegel, in denen sich Berge, Flüsse, Pflanzen, der blaue Himmel und die weißen Wolken widerspiegeln, und bieten das Wunder von „im Wasser fliegenden Vögeln und am Himmel schwimmenden Fischen“. Es ist Jiuzhaigou.

Das Gesamtbild des Fünf-Blumen-Sees von Jiuzhaigou (Bildnachweis: Li Xiaohui)

Der Wuhua-See ist der berühmteste Aussichtspunkt in Jiuzhaigou und wird als „Essenz von Jiuzhaigou“ bezeichnet. Das Blau des Sees nach dem Schneefall spiegelt sich im Weiß des Schnees wider, wie in einer Märchenwelt.

Jiuzhaigou Fünffarbenbecken (Bildnachweis: Sun Geng, Zhu Dalin)

Der Wucai-Pool ist einer der farbenprächtigsten Seen in Jiuzhaigou und berühmt für seine Schönheit, Reinheit und Transparenz. Der Wucai-Pool ist auch der schönste See in Jiuzhaigou und wird als „Auge von Jiuzhaigou“ bezeichnet.

Das Wasser von Jiuzhaigou ist strahlend blau und berauschend blau, aber was für ein Blau ist das Blau von Jiuzhaigou? Sie sagten, es sei Azurblau, ich sagte, es sei Türkisblau, er sagte, es sei Seeblau, sie sagte, es sei Smaragdblau, was die Entscheidung für Blau (lan) noch schwieriger macht. Hey, hör bitte auf, es den Lesern schwer zu machen, okay?

Dinge, die Sie nicht über Blue wissen

Neben Jiuzhaigou gibt es auf der Welt viele berühmte blaue Seen. Zum Beispiel Bear Lake in Utah, USA, Nationalpark Plitvicer Seen in der Republik Kroatien, Blaue Lagune in Island, Blue Lake in den Gambier Mountains im Süden Australiens, Lake Tekapo auf der Südinsel Neuseelands usw.

Beim Anblick dieser wunderschönen Aussicht auf Wasser und Himmel kann ich als Laie nur seufzen: Wow, der Himmel ist so blau, der See ist so blau! Allerdings gibt es weltweit insgesamt 41 Blautöne, darunter Dunkelblau, Kobaltblau, Dodge-Blau, Marineblau usw. Wie Lippenstiftfarben kann jedes Blau anhand der Farbnummer oder des RGB-Farbwerts unterschieden werden. Sie kennen vielleicht die Lippenstiftfarben, aber wissen Sie, welche Schattierungen das Seeblau oben hat?

Farbklassifizierungstabelle für PANTON-Blau (Bildquelle: Baidu Encyclopedia)

Aufgrund der unterschiedlichen geografischen Lage, der ökologischen Umweltbedingungen und der chemischen Eigenschaften des Wassers weisen die einzelnen Seen unterschiedliche Farben auf.

Puderblau

Die Blaue Lagune ist die größte geothermische heiße Quelle Islands. Die Farbe der Blauen Lagune ist ein pudriges, fast milchiges Blau. Untersuchungen zufolge ist die blaue Farbe des Blauen Sees auf das Vorkommen einer speziellen blaugrünen Meerespflanze in den heißen Quellen zurückzuführen, während die milchige Farbe auf die große Menge an Silizium im Wasser zurückzuführen ist.

Tiffany Blau

Der Lake Tekapo liegt an den östlichen Ausläufern der Neuseeländischen Alpen auf der Südinsel Neuseelands. Es handelt sich um einen Gletschersee und die blaue Farbe des Seewassers ist „Tiffany-Blau“. Die Farbe des Seewassers entsteht tatsächlich durch die Brechung des Sonnenlichts durch die im Seewasser schwebenden Gesteinspartikel.

Türkisblau

Der Bärensee und die Plitvicer Seen sind leuchtend türkisblau. Der Farbbildungsprozess des Bärensees und der Plitvicer Seen hängt mit Kalziumkarbonatpartikeln zusammen. Die geologische Struktur beider Regionen besteht hauptsächlich aus Kalkstein. Im Seewasser sind große Mengen an Calcium- und Magnesiumionen gelöst. Die hohe Konzentration mikrosuspendierter Kalziumkarbonatpartikel im Wasser reflektiert blaugrünes Licht und lässt den See türkisblau erscheinen.

Dunkelblau

Der Blue Lake in der Gambier Range im Süden Australiens gilt als der schwierigste (blaue) See der Welt. Die Farben ändern sich mit den Jahreszeiten. Aufgrund der Absorption des einfallenden Lichts durch Humus erscheint das Seewasser im Winter graublau. Im Sommer kommt es durch die Kohlendioxidentgasung und steigende Temperaturen zu einer Mitfällung von Kalzitkristallen mit Humus, die regulierend auf die Humuskonzentration an der Seeoberfläche einwirkt. Darüber hinaus tragen die Kalzitkristalle selbst zur Streuung kurzwelligen Lichts bei, sodass sich die Farbe des Sees im Laufe der Jahreszeiten von Graublau zu Dunkelblau ändert.

Originalautor: Thom Devereux (Bildquelle: Wikipedia wurde geändert)

Jiuzhaigou-Blau (Was für ein Blau ist das?)

Es wird allgemein angenommen, dass unterschiedliche Objekte Licht unterschiedlich reflektieren, absorbieren und streuen und daher in unterschiedlichen Farben erscheinen. Wie bei den verschiedenen oben genannten Seen verleiht das Vorhandensein kleinerer Partikelgrößen wie Gesteinspartikeln, wasserlöslichen Kieselsäurepartikeln, kolloidalen Schwefelpartikeln, kolloidalen Alumosilikatpartikeln und Gletscherpulver dem Seewasser einzigartige Reflexions- und Streuungseigenschaften gegenüber Sonnenlicht, sodass der See blau erscheint.

Die meisten Seen in Jiuzhaigou sind Karstseen. Die Entstehung ihrer Wasserfarbe hängt mit der geringen Trübung des Seewassers und den im Wasser vorhandenen Calciumcarbonatpartikeln zusammen. Die Rayleigh-Streuung und Mie-Streuung des einfallenden Lichts durch die suspendierten Calciumcarbonatpartikel können das Seewasser blau erscheinen lassen, und die Unterschiede in der Streuintensität in alle Richtungen, die Tiefe des Sees und die Wasserqualität verleihen dem See ein farbenfrohes Blau.

Lassen Sie mich Ihnen sagen, was für ein Blau ist Jiuzhaigou-Blau?

Obwohl die Gründe für die Entstehung der Farbe von Karstseen untersucht wurden, ist der Mechanismus der Seefarbbildung aufgrund des besonderen hydrologischen Systems und der geografischen Umgebung des Karstgebiets komplex und schwer zu untersuchen. Noch unerforscht ist der Mechanismus der Blaufärbung von Karstseen auf Hochplateaus wie dem Jiuzhaigou. Es gibt keine wissenschaftliche und vernünftige Erklärung dafür, warum die Seen „bunt blau“ erscheinen.

Derzeit haben Li Xiaohui, ein Masterstudent aus dem Team von Sun Geng, einem Forscher am Chengdu Institute of Biology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und andere erstmals hyperspektrale Geräte verwendet und diese mit Methoden zur Analyse der Wasserchemie in Innenräumen kombiniert, um die Farbe der Karstseen von Jiuzhaigou zu quantifizieren. Dadurch wurde der Farbbildungsmechanismus der weltberühmten blauen Karstseen von Jiuzhaigou aufgedeckt, eine Regressionsgleichung für die Qualität und Farbe des Seewassers erstellt und die Ursache für das farbenfrohe Blau der Seen von Jiuzhaigou plausibel erklärt. Die Gleichung wurde auch zur Vorhersage der Seefarbe angewendet.

Lassen Sie uns darüber sprechen, wie diese Forschung durchgeführt wurde.

1. Farbe kann auch „quantifiziert“ werden

Um die Farbe der Seen von Jiuzhaigou zu erklären, mussten die Forscher zunächst die Farbe quantifizieren.

Bevor wir den Farbquantisierungsprozess verstehen, müssen wir darüber sprechen, wie das menschliche Auge Farben wahrnimmt.

Wir alle wissen, dass Farbe eine visuelle Lichtwahrnehmung ist, die von den Augen und dem Gehirn erzeugt wird. Weißes Licht kann in sieben monochromatische Lichter zerlegt werden: Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett. Aufgrund der Anwesenheit von roten, grünen und blauen Zapfenzellen im menschlichen Auge reagieren wir am empfindlichsten auf rotes, grünes und blaues Licht. Die meisten Farben, die wir wahrnehmen, können durch Mischen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau in unterschiedlichen Anteilen erzeugt werden. Dies ist die berühmte „Drei-Farben-Theorie“. Objekte unterschiedlicher Farbe weisen unterschiedliche spektrale Charakteristikverteilungen auf, die durch reflektiertes Licht gebildet werden. Nachdem sie in das menschliche Auge gelangen, werden sie selektiv von den drei Zapfenzellentypen absorbiert. Nach einer Reihe photochemischer Reaktionen entsteht im Gehirn die Farbe des Objekts.

Ein vereinfachtes Diagramm des Farbwahrnehmungsprinzips des menschlichen Auges (Bildquelle: Li Xiaohui)

Viele Leute sind angesichts dessen möglicherweise verwirrt, daher möchte ich Ihnen zur Erklärung ein Beispiel geben.

Wenn der Himmel nach einem Regen aufklart oder wenn das Wetter klar ist, ist der Himmel oft blau. Dies liegt daran, dass sich zu dieser Zeit relativ wenig Schwebeteilchen in der Atmosphäre befinden. Durch die starke selektive Streuung atmosphärischer Moleküle wird blaues Licht vom Sonnenlicht gestreut und verteilt sich in der gesamten Atmosphäre. Der überwiegende Teil des in das menschliche Auge einfallenden blauen Lichts vermittelt uns das Gefühl, der Himmel sei blau.

Blauer Himmel und Meer (Bildnachweis: Mao Ping)

Basierend auf der Theorie der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges verwendeten die Forscher hyperspektrale Geräte (tragbares Bodenspektrometer ASD FieldSpec HandHeld 2), um die Strahlungsdaten des aus dem Wasser austretenden Lichts an jedem Probenahmepunkt im Seewasserkörper im sichtbaren Lichtbereich des menschlichen Auges (380–780 nm) zu messen (die spektrale Strahlung des Lichts, das nach dem Durchgang durch den Wasserkörper in die Atmosphäre zurückkehrt). Aufbauend auf der Theorie der Farbmetrik werden mathematische Integrationsoperationen im sichtbaren Lichtbereich durchgeführt, um die Farbtristimuluswerte XYZ abzuleiten. Die Farbkoordinaten (x, y) werden über die XYZ-Werte berechnet und die Farbe jedes Abtastpunkts kann durch Entsprechung zum CIE1931-Farbdiagramm bestimmt werden. Der RGB-Farbwert an jedem Abtastpunkt kann auch durch Ausführen von Matrixoperationen mit der Matlab-Software berechnet werden. Auf diese Weise können die Forscher durch die Simulation des Prozesses der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges die komplexe Seefarbe in einfache RGB-Farbwerte quantifizieren, nachdem sie die Spektraldaten des Seewassers gemessen haben. Dies ist förderlich für die nachfolgende Erforschung des Farbbildungsmechanismus und legt zudem eine solide Grundlage für die Erforschung der Beziehung zwischen Seefarbe und Wasserqualität.

Die oben genannten Grundsätze sind die Realität. Gehen wir direkt zu den Bildern unten!

Schematische Darstellung des Seefarbmessprozesses (Bildquelle: Li Xiaohui)

Der Prozess der quantitativen Messung der Seefarbe kann als der Prozess betrachtet werden, durch den das menschliche Auge Farben wahrnimmt. Das High-End-ASD-Bodenobjektspektrometer kann grob als menschliches Auge betrachtet werden, das einfallendes Licht empfängt, und die komplexen Integrations- und Matrixberechnungen simulieren tatsächlich eine Reihe photochemischer Reaktionen im menschlichen Auge.

Nach der Analyse der Strahlungsdaten außerhalb des Sees stellten die Forscher fest, dass das Wasser von Jiuzhaigou eine starke Wellenlängenselektivität bei der Absorption, Reflexion und Streuung von sichtbarem Licht aufweist. Der Anteil des blaugrünen Lichts im reflektierten Licht ist deutlich höher als der des roten Lichts. Dies hängt eng mit den einzigartigen Wasserumweltbedingungen des Sees zusammen und bestimmt direkt die Farbe des Sees, die das menschliche Auge wahrnimmt. Den Messdaten zufolge reflektiert das Gewässer Wuhuahai rotes, grünes und blaues Licht in durchschnittlichen Anteilen von 9,2 %, 49,6 % bzw. 41,2 %. Diese einzigartige Zusammensetzung des reflektierten Lichts lässt den See für das menschliche Auge leuchtend blaugrün erscheinen.

2. Die im Wasser verborgenen Farbgeheimnisse

Um die Gründe zu erforschen, warum Seewasser sichtbares Licht selektiv reflektiert und streut, sammelten die Forscher auch Seewasserproben für die chemische Analyse des Wassers in Innenräumen.

Untersuchungen haben ergeben, dass die Wassertrübung im Jiuzhaigou-See relativ gering ist. Abgesehen von einzelnen Probenahmestellen liegt die Trübung der meisten Gewässer bei etwa 0,69 NTU und die Transparenz ist extrem hoch. Mit bloßem Auge betrachtet ist das Seewasser im Wesentlichen dasselbe wie das Yilibao aus der Dose. Der Grund dafür liegt darin, dass das Wasser der Karstseen von Jiuzhaigou hauptsächlich aus atmosphärischen Niederschlägen, Schmelzwasser aus den Bergen und unterirdischem Karstwasser stammt und selbst einen geringen Sandgehalt und eine hohe Sauberkeit aufweist. Darüber hinaus weist das malerische Gebiet Jiuzhaigou eine üppige Ufervegetation, weniger Oberflächenabfluss und einen geringen Sandgehalt im Wasser auf, wodurch das Seewasser weniger trüb und äußerst klar ist. Stellen Sie sich vor: Wenn das Seewasser zu viel Schlamm und Sand enthält, kann es nie eine schöne blaue Farbe annehmen.

Klarheit allein reicht nicht. Die einzigartigen Travertinpartikel im Jiuzhaigou-See sind der Schlüssel zur Entstehung der Farbe des Sees. Der Wasserchemietyp des Jiuzhaigou-Sees ist Ca2+-HCO3- und Mg2+-HCO3-. Der Wasserkörper ist reich an Ca2+ und HCO3- und die Konzentration dieser Ionen ist um ein Vielfaches höher als in gewöhnlichen Plateauseen. Derart hohe Konzentrationen von Ca2+, HCO3- und eine alkalische Wasserumgebung führen zu einem hohen Kalzitsättigungsindex (SIC) des Seewassers, d. h., es befinden sich im See eine große Anzahl von Travertinpartikeln (Kalziumkarbonat). Diese Travertinpartikel haben aufgrund der Rayleigh-Streuung starke selektive Reflexions- und Streueffekte auf kurzwelliges Licht (380–570 nm) im sichtbaren Licht. Darüber hinaus hat der Travertinablagerungsprozess eine fixierende Wirkung auf Nährstoffe wie Phosphate. Die aus Calciumcarbonat und Wasser gebildete kolloidale Lösung hat zudem eine Auflösungs- und Fällungswirkung, die im Seewasser suspendierte Verunreinigungen absorbieren und den Wasserkörper reinigen kann, wodurch die Trübung des Sees weiter reduziert wird. Die Wechselwirkung zwischen der Rayleigh-Streuung des Sonnenlichts durch Travertinpartikel und der geringen Trübung führt dazu, dass das Seewasser hauptsächlich kurzwelliges sichtbares Licht reflektiert und streut. Das menschliche Auge reagiert jedoch nicht auf violettes Licht im sichtbaren Licht, sodass die von uns wahrgenommene Farbe des Sees hauptsächlich blaugrün ist.

Die Frage ist also: Wie erklären wir das farbenfrohe Blau des Sees? Wie oben erwähnt, reflektieren und streuen Calciumcarbonatpartikel aufgrund der Rayleigh-Streuung selektiv blaugrünes Licht mit kürzeren Wellenlängen im sichtbaren Licht. Tatsächlich ist während des Rayleigh-Streuprozesses auch die Streuintensität des Lichts in verschiedene Richtungen unterschiedlich, wodurch der See bei Betrachtung aus verschiedenen Winkeln blau und in unterschiedlichen Tiefen erscheint. Gleichzeitig absorbiert das sehr saubere Wasser aufgrund seiner hohen Klarheit ab einer bestimmten Tiefe selektiv langwelliges sichtbares Licht, beispielsweise rotes Licht, und reflektiert hauptsächlich kurzwelliges blaugrünes Licht. Dabei gilt: Je tiefer der See, desto blauer ist seine Farbe für das menschliche Auge. Daher weisen verschiedene Bereiche desselben Sees mit unterschiedlichen Tiefen oft unterschiedliche Blautöne auf. Darüber hinaus führen die Unterschiede in der Wasserqualität verschiedener Seen und in verschiedenen Jahreszeiten direkt zu Änderungen in der Travertinablagerungsrate, sodass die Fähigkeit verschiedener Seen, kurzwelliges blaugrünes Licht zu reflektieren, ebenfalls unterschiedlich ist. Die oben genannten Faktoren führen zu Unterschieden im Blaugrad verschiedener Seen im selben Graben, verschiedener Gewässer desselben Sees und verschiedener Jahreszeiten im selben See innerhalb des Landschaftsgebiets. Aus diesem Grund entstand die einzigartige Landschaft der farbenfrohen Seen von Jiuzhaigou.

Schematische Darstellung des Farbbildungsmechanismus der Karstseen von Jiuzhaigou

(Fotoquelle: Li Xiaohui)

Die aus Calciumcarbonat und Seewasser gebildete kolloidale Lösung hat einen Auflösungs- und Fällungseffekt, der im Seewasser suspendierte Verunreinigungen absorbieren kann, wodurch das Seewasser klar und durchsichtig wird. Wenn der See eine bestimmte Tiefe erreicht, absorbiert der transparente Wasserkörper langwelliges Licht, beispielsweise rotes Licht im einfallenden Licht, stark und reflektiert hauptsächlich blaugrünes Licht. In Verbindung mit der selektiven Reflexions- und Streuwirkung der Kalziumkarbonatpartikel im Karstseewasser auf das einfallende Licht ist der Anteil des kurzwelligen blaugrünen Lichts, das in das menschliche Auge gelangt, höher, sodass das menschliche Auge den See als blaugrün wahrnimmt.

Das Blau des Wuhua-Sees in verschiedenen Tiefen in Jiuzhaigou (Foto: Li Xiaohui)

Reines Wasser hat eine maximale Absorptionsrate für sichtbares Licht bei einer Wellenlänge von 750–760 nm. Wenn ein See eine bestimmte Tiefe erreicht, absorbiert das Seewasser große Mengen langwelligen roten Lichts und reflektiert und streut hauptsächlich blaugrünes Licht. Zu dieser Zeit ist die Farbe des Sees umso blauer, je tiefer er ist.

3. Vorhersage von Farben mithilfe von Gleichungen

Durch Korrelationsanalyse, Redundanzanalyse und andere Analysemethoden fanden die Forscher heraus, dass die Farbe des Sees eng mit Veränderungen der Wasserqualität zusammenhängt. Um die möglichen Auswirkungen von Veränderungen der Wasserqualität auf die Farbe des Sees weiter zu untersuchen, führten die Forscher eine schrittweise lineare Regressionsanalyse der aus der Wasserchemieanalyse gewonnenen Wasserqualitätsdaten und der RGB-Farbwertdaten des Sees durch und erstellten die Wasserqualitäts-Farbgleichung für den Jiuzhaigou-See:

Die unabhängigen Variablen in der Gleichung sind Indikatoren für die Wasserqualität wie Transparenz, Ionenkonzentration, Leitfähigkeit, gelöster Sauerstoff usw. und die abhängigen Variablen sind der Farb-R-Wert und der B-Wert. Mit Hilfe dieser Regressionsgleichung kann die Farbänderung des Sees durch Messung der Wasserqualität des Sees vorhergesagt werden. Die Forscher setzten die im Juli, August und September 2019 gemessenen Daten zur Wasserqualität in die Gleichung ein und sagten die Farbänderungen des Wuhua-Sees, des Mirror Lake und des Rhinoceros Lake in Jiuzhaigou voraus. Aus den Vorhersageergebnissen lässt sich intuitiv erkennen, dass sich die Farbe des Sees mit dem Wechsel der Jahreszeiten allmählich von Blau nach Grün ändert.

Farbvorhersage für den Jiuzhaigou-See (Bildnachweis: Li Xiaohui)

Unterschätzen Sie diese Gleichung nicht. In Zukunft können wir möglicherweise Veränderungen der Wasserqualität der Seen überwachen und Veränderungen der Seefarbe vorhersagen und so die wunderschönen Seen in Jiuzhaigou besser schützen. Ähnliche Ansätze könnten auf andere Seen angewendet werden.

Haben Sie durch die obigen Inhalte ein tieferes Verständnis der blauen Seen von Jiuzhaigou gewonnen? Jiuzhaigou ist ein Schatz, den die Natur der Welt geschenkt hat. Das magische Jiuzhaigou birgt noch immer viele Geheimnisse, die es zu erforschen gilt. Ihr Schutz bedeutet, die Umwelt zu schützen, von der das Überleben der Menschheit abhängt.

Nachtrag: Der wissenschaftlichste Weg, Reichtum zur Schau zu stellen

——Ich bin in Jiuzhaigou ein Boot gerudert

Um während des Experiments die Farbe verschiedener Probenahmestellen in jedem See zu bestimmen, mussten die Forscher oft in die Mitte des Sees rudern, um Wasserproben zu entnehmen und spektrale Daten zu sammeln.

Sie denken, die Stichprobenziehung läuft folgendermaßen ab:

Fotos von Touristen in Jiuzhaigou (Bildnachweis: Deng Xianzhi)

Tatsache ist jedoch:

Ernsthafte Arbeitsfotos (Bildnachweis: Li Xiaohui, Zhang Mengqi)

Die Spielzeit ist zwar immer kurz, aber schön. Wenn Sie aufwachen, ist es Zeit, mit der Arbeit zu beginnen.

Diejenigen, die auf der Oberfläche des Jiuzhaigou-Sees treiben, sind möglicherweise keine Feen, sondern könnten wissenschaftliche Forscher sein, die Proben nehmen. Als ich mit anderen um Lebensläufe konkurrierte, prahlte die Person vor mir: „Ich habe Pandas den Hintern abgewischt und Panda-Kot gesammelt.“ Ich konnte nur ein Gedicht verfassen, um meinen Stolz auszudrücken: „Ich erinnere mich oft an den Sonnenuntergang in Jiuzhaigou, als ich Proben nahm, aber den Weg nach Hause nicht kannte. Ich kehrte spät in der Nacht zum Boot zurück und begab mich versehentlich in die Tiefen der wissenschaftlichen Forschung …“

Quellen:

1. Li

2. Kumar, V. STUDIE ÜBER TÜRKIS UND LEUCHTEND HIMMELBLAU ERSCHEINENDE SÜSSWASSERGEWÄSSER. Int. J. Geol. Erdumwelt. Wissenschaft 2016, 6, 119–128.

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