九寨溝の「青」問題

著者: Li Xiaohui、Mao Ping、Sun Geng (中国科学院成都生物学研究所、中国科学院成都支部)

この記事はサイエンスアカデミー公式アカウント（ID: kexuedayuan）から引用したものです。

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雄大な岷山の中に神秘的な仙境が隠されています。その本当の姿は半世紀前まで外部の人には知られていませんでした。せせらぎのある水が山々と深い森を流れ、魅惑的な青い湖の連続を形成します。ここの湖は青い翡翠のかけらのようで、太陽の光の下で夢のようにさまざまな色に変化します。ここの湖は鏡のようで、山や川、植物、青い空、白い雲を映し出し、「水に飛ぶ鳥、空を泳ぐ魚」の不思議を表現しています。九寨溝です。

九寨溝五花湖の全景（写真提供：李暁慧）

五花湖は九寨溝で最も有名な景勝地であり、「九寨溝の精華」として知られています。雪が降った後の湖の青が白い雪と響き合い、まるでおとぎ話の世界のようです。

九寨溝五色潭（写真提供：Sun Geng、Zhu Dalin）

五彩池は九寨溝で最も色彩豊かな湖の一つであり、その美しさ、清らかさ、透明度で有名です。五彩池は九寨溝で最も美しい湖で、「九寨溝の目」として知られています。

九寨溝の水はまばゆいほど青く、酔わせるほど青く、しかし、九寨溝の青とはどのような青なのでしょうか？あなたは紺碧だと言い、私はターコイズブルーだと言いました。彼はレイクブルーだと言いました。彼女はエメラルドブルーだと言いました。これで青（lan）を選ぶのがさらに難しくなりました。ねえ、読者にわかりにくくするのはやめてくださいね？

ブルーについて知らないこと

九寨溝以外にも世界には有名な青い湖がたくさんあります。例えば、アメリカユタ州のベアレイク、クロアチア共和国のプリトヴィツェ湖群国立公園、アイスランドのブルーラグーン、オーストラリア南部のガンビア山脈のブルーレイク、ニュージーランド南島のテカポ湖などです。

水と空のこの美しい景色を見ると、無知な私はただため息をつくしかありません。わあ、空はなんて青いんだ、湖はなんて青いんだ！しかし、世界にはダークブルー、コバルトブルー、ダッジブルー、ネイビーブルーなど、合計 41 種類の青があります。口紅の色と同様に、それぞれの青は色番号または色 RGB 値で区別できます。口紅の色はご存じかもしれませんが、上の写真の湖の青の色合いが何であるかご存じですか?

PANTON ブルー色分類表 (画像出典: Baidu 百科事典)

上記の湖は、地理的な位置、生態環境条件、水の化学的性質の違いにより、それぞれの湖の色が異なります。

パウダーブルー

ブルーラグーンはアイスランド最大の地熱温泉です。ブルーラグーンの色は、ほぼ乳白色の粉っぽい青です。研究によると、ブルーレイクの青い色は温泉に特殊な青緑色の海藻が含まれているためであり、乳白色は水中に多量のケイ素が含まれているためである。

ティファニーブルー

テカポ湖はニュージーランド南島の南アルプスの東の麓に位置しています。氷河湖であり、湖水の青い色は「ティファニーブルー」です。湖水の色は、実際には湖水に浮遊する岩石粒子による太陽光の屈折によって生じます。

ターコイズブルー

ベア湖とプリトヴィツェ湖は明るいターコイズブルーです。ベア湖とプリトヴィツェ湖の色の形成プロセスは炭酸カルシウム粒子に関係しています。両地域の地質構造は主に石灰岩です。湖水には多量のカルシウムイオンとマグネシウムイオンが溶けています。水中に高濃度で浮遊する炭酸カルシウム微粒子が青緑色の光を反射し、湖はターコイズブルーに見えます。

ダークブルー

オーストラリア南部のガンビア山脈にあるブルー・レイクは、世界で最も難しい（青い）湖として知られています。季節によって色が変わります。腐植土による入射光の吸収により、冬には湖水は灰青色に見えます。夏には二酸化炭素の脱ガスと気温上昇によって生成された方解石の結晶が腐植土と共沈し、湖面の腐植土濃度を調節する効果があります。さらに、方解石の結晶自体が短波長の光を散乱させる働きがあり、季節によって湖の色が灰青色から濃い青色へと変化します。

原作者: Thom Devereux (画像ソース: Wikipedia は修正済み)

九寨溝ブルー（どんな青？）

一般的に、物体によって光の反射、吸収、散乱の仕方が異なり、そのため色も異なって見えると考えられています。前述のさまざまな湖と同様に、岩石粒子、水溶性シリカ粒子、コロイド状硫黄粒子、コロイド状アルミノケイ酸塩粒子、氷河粉末などの小さな粒子が存在するため、湖水は太陽光に対して独特の反射および散乱特性を持ち、湖は青く見えます。

九寨溝の湖のほとんどはカルスト湖です。水の色の形成は、湖水の濁度の低さと、水中に含まれる炭酸カルシウム粒子に関係しています。浮遊する炭酸カルシウム粒子による入射光のレイリー散乱とミー散乱により、湖水は青く見えることがあります。また、あらゆる方向の散乱強度の違い、湖の深さ、水質によって、湖はカラフルな青色になります。

九寨溝ブルーとはどんな青なのか教えてください。

カルスト湖の色の形成理由は研究されてきましたが、カルスト地域の特殊な水文システムと地理的環境のため、湖の色の形成メカニズムは複雑で、研究が困難です。九寨溝のような高原カルスト湖の青色形成メカニズムに関する研究はさらに不足しており、なぜ湖が「鮮やかな青色」に見えるのか科学的かつ合理的な説明はない。

現在、中国科学院成都生物学研究所の孫庚研究員らのチームの修士課程学生の李暁慧らは、ハイパースペクトル装置を使用し、室内水化学分析法と組み合わせて、初めて九寨溝のカルスト湖の色を数値化し、世界に名高い九寨溝の青いカルスト湖の色形成メカニズムを明らかにし、湖水質と色の回帰式を確立し、九寨溝の湖の鮮やかな青色の原因を合理的に説明した。この方程式は湖の色の予測にも応用されています。

この研究がどのように行われたかについて話しましょう。

1. 色も「定量化」できる

九寨溝の湖の色を説明するために、研究者はまずその色を定量化する必要がありました。

色の量子化プロセスを理解する前に、人間の目がどのように色を認識するかについて説明する必要があります。

色は目と脳によって生み出される光の視覚的知覚であることは、誰もが知っています。白色光は、赤、オレンジ、黄、緑、シアン、青、紫の 7 つの単色光に分解できます。人間の目には赤、緑、青の錐体細胞が存在するため、私たちは赤、緑、青の光に最も敏感です。私たちが知覚する色のほとんどは、赤、緑、青の 3 つの原色をさまざまな割合で混ぜることによって作り出されます。これが有名な「三色理論」です。異なる色の物体は、反射光によって形成される異なるスペクトル特性分布を持ちます。人間の目に入った後、3 種類の錐体細胞によって選択的に吸収されます。一連の光化学反応の後、物体の色が脳内で形成されます。

人間の目の色覚原理の簡略図（画像提供：Li Xiaohui）

これを見ると多くの人が混乱するかもしれないので、例を挙げて説明しましょう。

雨が降った後に空が晴れたり、天気が晴れたりすると、空は青くなることが多いです。これは、現時点では大気中の浮遊粒子が比較的少ないためです。大気分子の強い選択散乱により、青色光は太陽光から散乱され、大気全体に拡散します。人間の目に入る光の大部分は青色光で、そのおかげで空は青く感じます。

青い空と海（写真提供：マオ・ピン）

研究者らは、人間の目の色覚理論に基づき、ハイパースペクトル装置（ASD FieldSpec HandHeld 2 ポータブル地上分光計）を使用して、人間の目の可視光範囲（380nm～780nm）（水域を通過した後、大気圏に戻る光のスペクトル放射）内で、湖水域の各サンプリングポイントの水出放射輝度データを測定しました。測色理論に基づいて、可視光範囲内で数学的な積分演算を実行し、色三刺激値 XYZ を導出します。色座標（x、y）はXYZ値を通じて計算され、CIE1931色度図に対応して各サンプリングポイントの色を決定できます。各サンプリング ポイントのカラー RGB 値は、Matlab ソフトウェアを使用して行列演算を実行することによっても計算できます。このように、人間の目の色覚プロセスをシミュレートすることで、研究者は湖水のスペクトルデータを測定した後、複雑な湖の色を単純な色のRGB値に定量化することができます。これは、色の形成メカニズムに関するその後の研究に役立ち、また、湖の色と水質の関係を調査するための強固な基盤を築きます。

上記の原則は実際のものです。それでは、下の写真をご覧ください。

湖の色測定プロセスの概略図（画像提供：Li Xiaohui）

湖の色を定量的に測定するプロセスは、人間の目が色を認識するプロセスと見ることができます。ハイエンドの ASD 地上物体分光計は、入射光を受け取る人間の目と大まかに考えることができ、複雑な積分と行列計算によって、実際に人間の目における一連の光化学反応をシミュレートします。

研究者らは、湖の水面外放射データを分析した結果、九寨溝の水は可視光の吸収、反射、散乱において強い波長選択性を持っていることを発見した。反射光における青緑色光の割合は、赤色光の割合よりも大幅に高くなります。これは湖の独特の水環境条件と密接に関係しており、人間の目で観察される湖の色を直接決定します。測定データによると、五花海水域は赤、緑、青の光をそれぞれ平均9.2%、49.6%、41.2%の割合で反射している。この反射光の独特な構成により、湖は人間の目には明るい青緑色に見えます。

2. 水に隠された色の秘密

湖水が可視光を選択的に反射・散乱する理由を探るため、研究者らは室内の水化学分析用に湖水のサンプルも採取した。

調査の結果、九寨溝の水の濁度は比較的低いことが判明した。個別の採取地点を除いて、ほとんどの水域の濁度は0.69NTU前後であり、透明度は極めて高い。肉眼で観察すると、湖の水は基本的に缶詰のイリバオと同じです。その理由は、九寨溝カルスト湖の水は主に大気降水、山の雪解け水、地下カルスト水から来ており、砂の含有量が少なく、清浄度が高いためです。さらに、九寨溝風景区は湖岸の植生が豊かで、表面流出が少なく、水中の砂の含有量が少ないため、湖水の濁りが少なく、非常に透明度が高いです。想像してみてください。湖の水に泥や砂が多すぎると、美しい青色を呈することは決してできません。

明確さだけでは十分ではありません。九寨溝の独特な石灰華粒子が、湖の色の形成の鍵となっています。九寨溝の水質化学タイプはCa2+-HCO3-とMg2+-HCO3-です。水域にはCa2+とHCO3-が豊富に含まれており、これらのイオンの濃度は一般的な高原湖よりも数倍高くなっています。このような高濃度の Ca2+、HCO3-、アルカリ性水環境により、湖水の方解石飽和指数 (SIC) が高くなり、つまり湖内に大量のトラバーチン (炭酸カルシウム) 粒子が存在することになります。これらのトラバーチン粒子は、レイリー散乱により、可視光線の短波長光（380～570nm）に対して強い選択反射および散乱効果を持ちます。さらに、トラバーチンの堆積プロセスは、リン酸塩などの栄養素を固定する効果があります。炭酸カルシウムと水によって形成されるコロイド溶液には溶解・沈殿作用もあり、湖水中の浮遊不純物を吸収して水体を浄化し、湖の濁度をさらに低減します。トラバーチン粒子による太陽光のレイリー散乱と低濁度の相互作用により、湖水は主に短波長の可視光を反射・散乱しますが、人間の目は可視光の中の紫色光に敏感ではないため、私たちが知覚する湖の色は主に青緑色になります。

そこで疑問になるのが、湖の鮮やかな青色をどう説明するかということです。前述のように、炭酸カルシウム粒子はレイリー散乱により可視光線の中で波長の短い青緑色の光を選択的に反射・散乱します。実際、レイリー散乱の過程では、異なる方向への光の散乱強度も異なり、異なる角度から観察すると湖は深さの異なる青に見えます。同時に、湖の透明度が高いため、湖が一定の深さに達すると、非常にきれいな水が赤色光などの長波長の可視光を選択的に吸収し、主に短波長の青緑色の光を反射します。このとき、湖が深くなるほど、人間の目には湖の色が青く見えるようになります。したがって、同じ湖でも深さの異なる場所では青の色合いが異なる場合があります。さらに、湖や季節によって水質特性が異なると、トラバーチンの堆積速度も直接変化するため、湖によって短波長の青緑色の光を反射する能力も異なります。上記の要因により、景勝地内の同じ溝内の異なる湖、同じ湖の異なる水、同じ湖の異なる季節における青の度合いが異なります。これが、九寨溝の色とりどりの湖の独特な景観が形成された理由です。

九寨溝カルスト湖の色形成メカニズムの模式図

（写真提供：李暁慧）

炭酸カルシウムと湖水によって形成されるコロイド溶液には溶解・沈殿作用があり、湖水に浮遊する不純物を吸収し、湖水を澄んだ透明にします。湖が一定の深さに達すると、透明な水体は入射光のうち赤色光などの長波長光に対して強い吸収効果を持ち、主に青緑色の光を反射します。カルスト湖の水に含まれる炭酸カルシウム粒子が入射光に対して選択的に反射・散乱する効果と相まって、人間の目に入る短波長の青緑色の光の割合が高くなり、人間の目は湖を青緑色として認識します。

九寨溝の五花湖のさまざまな深さの青（写真提供：李暁慧）

純水は、750～760nmの波長の可視光線に対して最大吸収率を持ちます。湖が一定の深さに達すると、湖水は長波長の赤色光を大量に吸収し、主に青緑色の光を反射・散乱します。この時、湖が深くなるほど、色が青くなります。

3. 方程式を使って色を予測する

研究者たちは相関分析、冗長性分析、その他の分析方法を通じて、湖の色は水質の変化と密接に関係していることを発見した。水質の変化が湖の色に与える影響の可能性をさらに調査するために、研究者らは水質化学分析から得られた水質データと湖のRGB色値データに対して段階的線形回帰分析を実施し、九寨溝の水質と色の方程式を確立しました。

式の独立変数は透明度、イオン濃度、導電率、溶存酸素などの水質指標であり、従属変数は色のR値とB値です。この回帰方程式を利用すると、湖の水質を測定することで湖の色の変化を予測することができます。研究者らは、2019年7月、8月、9月に測定された水質データをこの式に代入し、九寨溝の五花湖、鏡湖、犀湖の色の変化を予測した。予測結果からは、季節の変化とともに湖の色が青から緑へと徐々に変化していくことが直感的にわかります。

九寨溝湖の色予報 (写真提供: Li Xiaohui)

この方程式を過小評価しないでください。将来的には、湖の水質の変化を監視し、湖の色の変化を予測できるようになり、九寨溝の美しい湖をより良く保護できるようになるかもしれません。同様のアプローチは他の湖にも適用できるでしょう。

上記の内容を通じて、九寨溝の青い湖についてより深く理解できましたか?九寨溝は自然が世界に与えた宝です。魔法の街、九寨溝には、探索する価値のある秘密がまだたくさん残っています。それを守ることは、人類が生きていくために依存している環境を守ることです。

追記：富を誇示する最も科学的な方法

——九寨溝でボートを漕いだ

実験中、各湖の異なるサンプル採取地点の色を決定するために、研究者は湖の中央までボートを漕いで行き、水サンプルを採取してスペクトルデータを収集する必要がありました。

サンプリングは次のようになると思います:

九寨溝の観光客の写真 (写真提供:Deng Xianzhi)

しかし、事実はこうです:

真剣な仕事の写真 (写真提供: Li Xiaohui、Zhang Mengqi)

演奏時間はいつも短いですが、美しいです。目が覚めたら、仕事を始める時間です。

九寨溝の湖面に浮かんでいるのは妖精ではなく、サンプルを採取している科学研究者かもしれない。他の人と履歴書を競っていたとき、私の前の人が「パンダのお尻を拭いたり、パンダの糞を集めたりしたことがある」と自慢していました。私は自分の誇りを表現するために詩を詠むことしかできませんでした。「私はよく九寨溝の夕日を思い出す。サンプル採取に行ったが、帰り道がわからなかった。夜遅くに船に戻り、誤って科学研究の深みに入ってしまった...」

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