Warum erscheint Meerwasser blau?
Antwort von Christoph:
Tritt Licht aus der Luft ins Wasser ein, so wird es gebrochen. Dieser Effekt ist mit einer Brechzahl von durchschnittlich 1,33 für sichtbares Licht schwächer als beispielsweise beim Übergang von Luft in die meisten Glassorten oder gar in Diamant, aber stärker als beispielsweise bei Methanol.
Das Reflexionsvermögen der Oberfläche Wasser-Luft beträgt bei exakt senkrechtem Einfall 0 % und nimmt mit flacherem Einfallswinkel bis gegen 100 % zu. Beim Auftreffen von Licht aus der Luft auf die Wasseroberfläche kommt es also zu einer vom Einfallswinkel abhängigen Aufspaltung in einen Anteil, der in das Wasser eintritt und dabei gebrochen wird, und einen anderen Anteil, der reflektiert wird. Dabei tritt auch eine Aufspaltung in unterschiedlich polarisierte Lichtanteile auf: das eintretende Licht ist bevorzugt in der Ebene polarisiert, die das Lot mit dem Lichtstrahl bildet ("Einfallsebene"), das reflektierte Licht ist senkrecht dazu polarisiert (bei Sonne auf Gewässern also im geografischen Sinn horizontal). Der Polarisationseffekt wird umso stärker, je flacher das Licht auf die Wasseroberfläche trifft.
Trifft Licht vom Wasser her auf die Wasser-Luft-Grenzfläche, so kommt es, als direkte Folge des Brechungsgesetzes, ab einem Grenzwinkel von 49° zu einer Totalreflexion. Das bedeutet, dass flacher auf die Grenzfläche treffende Lichtstrahlen nicht aus dem Wasser austreten sondern reflektiert werden.
Die Lichtbrechung führt zu optischen Täuschungen, so dass man ein Objekt unter Wasser an einem anderen Ort sieht, als an dem es tatsächlich ist. Das gleiche gilt für einen Blick aus dem Wasser in den Luftraum. Tiere, die, wie Fischreiher, auf den Fischfang spezialisiert sind, oder Fische, die nach Insekten über dem Wasser jagen, können diese Bild-Versetzung berücksichtigen und treffen ihre Beute deshalb meistens problemlos.
Die große Lichtdurchlässigkeit des Wassers ermöglicht die Existenz von Algen und Pflanzen im Wasser, die Licht zum Leben benötigen. Langwelliges (rotes) Licht wird stärker absorbiert als kurzwelliges (blaues) Licht.
Einige optische Effekte in der Atmosphäre sind an die Brechungseigenschaften des Wassers geknüpft. So wird zum Beispiel ein Regenbogen durch Wassertröpfchen oder ein Halophänomen durch Eiskristalle hervorgerufen, in denen das Licht gebrochen und dabei nach Spektralfarben aufgespalten wird. Auch die Abdunklung der Erde durch Wolken geht auf die Lichtbrechung und Totalreflexionen an und in den Wassertröpfchen zurück, die dadurch einen Teil des Lichts von der Erde weg ablenken.