Wasserfarbe (Optik)
Physik
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Basiswissen
Kleine Mengen Wasser in einem weißen Behälter wirken farblos. Tieferes Wasser ohne Fremdstoffe wirkt im Sonnenlicht hellblau. Schatten, die Farben des Bodens oder von Wänden und das Licht der Atmosphäre sowie Stoffe im Wasser können den Farbeieindruck stark verändern.
Beim Blick auf oder auch in das Meer nimmt man sehr viele verschiedene Farben wahr. Das wirft die Frage auf, was denn die wirkliche Farbe von Wasser sein soll.
Reines Wasser
Die eigentliche Farbe von Wasser kann man abschätzen, wenn man reines Wasser in einen klaren Glasbehälter gibt und das Ganze mit natürlichem, weißen Licht durchscheint. Das Wasser wirkt ganz schwach bläulich, ist aber ansonsten durchsichtig. Zur reinen Blaufärbung von reinem Wasser tragen zwei Prozesse bei.
Absorption
Das weiße Licht der Sonne beinhaltet Photonen aller möglichen Wellenlängen, das heißt ein volles Spektrum an möglichen Farben. Photonen im Bereich rötlicher Farben werden von den Molekülen flüssigen Wassers absorbiert. Dabei kommt es nicht zu einem elektronischen Übergang. Es springt also kein Elektron in ein höheres Energieniveau. Stattdessen werden die Atome im Molekül zu Schwingungen angeregt. Und diese Schwingungsenergie wird nicht in Form von einem neuen Photon wieder abgestrahlt. Vielmehr verteilt sich die Schwingungsenergie nach und nach auf andere Wassermoleküle. Am Ende wird die gesamte Energie des absorbierten Photons zu Wärmeenergie im Wasser. Damit ist aber auch der rötliche Anteil des Lichts geschwächt. Anteilsmäßig nehmen dann andere Anteile des Lichtspektrum, etwa blaue Anteile zu. Wenn wir also auf Wasser blicken, erreichen anteilsmäßig weniger rötliche Bestandteile unsere Netzhaut, als ursprünglich in der Lichtquelle vorhanden waren. Das alleine gibt schon eine Verschiebung ins Rötliche.
Streuung
Ein zweiter Prozess verstärkt die Verschiebung ins Bläuliche noch weiter. Ohne den Prozess der Streuung oder Absorption würden sich Photonen mehr oder minder geradlinig in Wasser fortbewegen. Tatsächlich aber können Photonen die Elektronenhülle von Atomen in Molekülen zu Schwingungen anregen. Man spricht von einer Polarisierung. Die gesamte Energie des Photons geht dann in Energie dieser Schwingungen über. Kurze Zeit darauf aber wird ein neues Photon mit genau der Energie des ursprünglichen Photons ausgesandt. Der springende Punkt ist: die Energie bleibt unverändert (elastische Streuung), aber die Richtung hat sich mit hoher Wahrscheinlichkeit geändert. Und das hat Folgen für unseren Farbeindruck. Wenn sich die Richtung mehr oder minder stark ändern kann, dann steigt auch die Wahrscheinlichkeit an, dass Photonen, die eigentlich tiefer ins Wasser hätten eindringen können, nun wieder nach oben aufsteigen und letzten Endes unser Auge erreichen können. Und die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Streuung kommt, ist für Photonen aus dem blauen Bereich sehr viel höher als für Photonen aus anderen Farbbereichen des Lichts. Und damit ist die Streuung ein weiterer Prozess, der die Wahrscheinlichkeit steigert, dass es vor allem Photonen aus dem blauen Bereich des Spektrums sind, die unsere Netzhaut erreichen. Der physikalische Prozess dahinter ist die sogenannte 👉 Rayleigh-Streuung
Theodor Schmedes' Nordseewasser
In der Zeit von 1851 bis 1874 lebte ein gewisser Theodor Schmedes auf der Nordseeinsel Wangerooge. Er war ein scharfsinniger Beobachter und ein wissbegieriger Denker. Eine längere Passage in seinen Schriften widmete er der Frage nach der Farbe des Meeres.
ZITAT:
Theodor Schmedes: "Die Oberfläche des Meeres hat hier bald das Ansehen eines grauen, bald eines blauen, bald eines grünen Schleiers oder Glases. Sie ist der eigentliche Meeresspiegel, in dem sich der Himmel und der Meeresboden und viele andere Gegenstände spiegeln [was man gut in den Unterwasseraufnahmen aus dem Video oben sieht]. So dunkel auch die Farbe des Wassers erscheint, so ist es doch, wenn nicht stürmische Witterung den Sand aufwühlt, recht klar; besonders klar und durchsichtig, wenn es in ein Glas geschöpft und dann betrachet wird." [1]
Theodor Schmedes: "Die Oberfläche des Meeres hat hier bald das Ansehen eines grauen, bald eines blauen, bald eines grünen Schleiers oder Glases. Sie ist der eigentliche Meeresspiegel, in dem sich der Himmel und der Meeresboden und viele andere Gegenstände spiegeln [was man gut in den Unterwasseraufnahmen aus dem Video oben sieht]. So dunkel auch die Farbe des Wassers erscheint, so ist es doch, wenn nicht stürmische Witterung den Sand aufwühlt, recht klar; besonders klar und durchsichtig, wenn es in ein Glas geschöpft und dann betrachet wird." [1]
Bleibt jemand ganz bei der Beschreibung der sinnlich wahrgenommenen Dinge, so spricht man in der Physik von einem phänomenologischen Zugang. Man sucht dabei noch keine Erklärung sondern bleibt dabei, die Dinge möglichst genau zu erfassen und Bezüge oder Zusammenhänge zu nennen. In diesem Stil fährt Schmedes weiter fort.
ZITAT:
Theodor Schmedes: "Bei heiterem Himmel und ruhiger Witterung hat der Meeresspiegel gewöhnlich eine blaue Farbe, doch weit dunkler als die Bläue des Himmels oder Himmelsraumes. Oft hat er ganz die dunkelblaue Farbe großer Landseen, jedoch nur in den Sommermonaten. Segeln aber Wolken, helle oder düstere Wolken im Luftmeere dahin, so pflegt das Meer mehr ein grünes oder graues Ansehen zu haben. Oft haben daher einzelne Parzellen ein grünes, andere ein graues Gewand zu gleicher Zeit. Doch die Sturzwogen [Brecher] haben stets ein weißes, oder auch in den Sommernächten glühendes Haupt. In der Nähe des Strandes scheint das seichte Wasser mehr die Farbe des Sandes anzunehmen. Ebenfalls herrscht diese Farbe vor bei stürmischer Witterung, bei dem Daherstürmen starker Wogen, wo sie indes viel Sand, aus der Tiefe ergriffen, mit sich führen." [1]
Theodor Schmedes: "Bei heiterem Himmel und ruhiger Witterung hat der Meeresspiegel gewöhnlich eine blaue Farbe, doch weit dunkler als die Bläue des Himmels oder Himmelsraumes. Oft hat er ganz die dunkelblaue Farbe großer Landseen, jedoch nur in den Sommermonaten. Segeln aber Wolken, helle oder düstere Wolken im Luftmeere dahin, so pflegt das Meer mehr ein grünes oder graues Ansehen zu haben. Oft haben daher einzelne Parzellen ein grünes, andere ein graues Gewand zu gleicher Zeit. Doch die Sturzwogen [Brecher] haben stets ein weißes, oder auch in den Sommernächten glühendes Haupt. In der Nähe des Strandes scheint das seichte Wasser mehr die Farbe des Sandes anzunehmen. Ebenfalls herrscht diese Farbe vor bei stürmischer Witterung, bei dem Daherstürmen starker Wogen, wo sie indes viel Sand, aus der Tiefe ergriffen, mit sich führen." [1]
Dann geht Schmedes darauf ein, wie klar oder durchsichtig das Wasser der Nordsee ist.
ZITAT:
Theodor Schmedes: "Bei einiger Tiefe des Wassers und ruhiger Witterung schaut das Auge vom Boote auf den Boden hinab, erschaut weiße Steine und Muscheln daselbst. Der Badende erschaut seinen nackten Körper bis zu den Füßen herunter. Heller und durchsichtiger erschien mir indes das Wasser in der Nähe der Nachbarinsel Helgoland als hier [hier meint: Wangerooge], das Auge des Beobachters schaut dort deutlicher auf den tiefen Boden hinab, erschaut deutlicher Steine und Muscheln, vielleicht, weil der Boden einen weißeren Sand bietet und das Meer weniger trübe und schlammig ist. Auch schien mir dort, bei der Insel, das Meer mehr ein grünes Gewand zu tragen, als hier, in der Ferne aber mehr ein blaues Gewand, wie hier der Fall ist, zu haben. Der blaue Himmel und weißgelbliche Sand des Meerbodens vereinigen sich wohl zum Darbieten eines grünen Gewandes für den Meeresspiegel. Das Meerwasser, in ein Glas geschöpft, hat ein farbloses, klares Ansehen, zur Zeit des Meerleuchtes geschöpft, gibt es gerüttelt im dunklen Zimmer auch das Schauspiel des Feuer- oder Lichtsprühens." [1]
Theodor Schmedes: "Bei einiger Tiefe des Wassers und ruhiger Witterung schaut das Auge vom Boote auf den Boden hinab, erschaut weiße Steine und Muscheln daselbst. Der Badende erschaut seinen nackten Körper bis zu den Füßen herunter. Heller und durchsichtiger erschien mir indes das Wasser in der Nähe der Nachbarinsel Helgoland als hier [hier meint: Wangerooge], das Auge des Beobachters schaut dort deutlicher auf den tiefen Boden hinab, erschaut deutlicher Steine und Muscheln, vielleicht, weil der Boden einen weißeren Sand bietet und das Meer weniger trübe und schlammig ist. Auch schien mir dort, bei der Insel, das Meer mehr ein grünes Gewand zu tragen, als hier, in der Ferne aber mehr ein blaues Gewand, wie hier der Fall ist, zu haben. Der blaue Himmel und weißgelbliche Sand des Meerbodens vereinigen sich wohl zum Darbieten eines grünen Gewandes für den Meeresspiegel. Das Meerwasser, in ein Glas geschöpft, hat ein farbloses, klares Ansehen, zur Zeit des Meerleuchtes geschöpft, gibt es gerüttelt im dunklen Zimmer auch das Schauspiel des Feuer- oder Lichtsprühens." [1]
Goehtes getrübtes Wasser
Johann Wolfang von Goethe (1749 bis 1832) ist heute vor allem als Dichter bekannt. Er selbst sah sich aber vor allem als Naturphilosoph. Er hatte sich Jahrzehnte lang sehr systematisch und mit viel Scharfsinn mit Geologie, Pflanzenkunde und der Optik beschäftigt. In seinen dichterischen Werken, sehr deutlich zum Beispiel in seinem Faust, kritisierte er immer wieder das, was man heute als Mainstream der Wissenschaft bezeichnen würde. Dem mechanistischen und mathematisierten Weltbild seiner Zeit versuchte Goethe eine naturphilosophische Sicht entgegen zu stellen. Die Physik war darin Teil eines übergeordneten Weltganzen. In seiner Farbenlehre sah er sein wichtigstes Lebenswerk.
Goethe ließ weißes Licht durch verschieden stark getrübtes Wasser scheinen. Er betrachtete das Wasser dann von verschiedenen Seiten aus. Die Effekte sind recht bemerkenswert. Siehe auch 👉 Goethes Wassertrübungsversuch
Goethe stellte fest, dass getrübtes Wasser (man kann heute zum Beispiel Spülmittel verwenden) gelblich bis am Ende rot erscheint, wenn weißes Licht es mit zunehmender Streckenlänge durchleuchtet. Von der Seite her betrachtet, rechtwinklig zu einem Lichtstrahl, aber geht die Farbe deutlich ins Blaue. Der Schlüssel zum Verständnis aus Sicht der modernen Physik ist die 👉 Streuung (Physik)
Fußnoten
- [1] Theodor Schmedes: Die Insel Wangerooge nach ihrem früheren und gegenwärtigen Zustande. Erschlossen von Peter Sievert, Hannover. 1983. Ein Exemplar findet sich in der katholischen Bücherei auf der Insel Wangerooge (Stand 2026). Dort auf Seite 193.