Il “colore” dell’oceano è determinato dalle interazioni della luce incidente con sostanze o particelle presenti nell’acqua. La luce solare bianca consiste in uno spettro di lunghezze d’onda (circa 400-700 nm), che le gocce d’acqua disperdono in uno spettro continuo di colori “arcobaleno”. Anche grandi quantità d’acqua, anche in una piscina, apparirebbero blu.
Quando la luce brilla sulla superficie dell’acqua, i diversi colori vengono assorbiti, trasmessi, sparsi o riflessi con intensità diverse dalle molecole d’acqua e da altri cosiddetti costituenti otticamente attivi in sospensione nello strato superiore (chiamato zona epipelagica o fotica) dell’oceano. La ragione per cui le acque dell’oceano aperto appaiono blu in condizioni di limpidezza a mezzogiorno è dovuta all’assorbimento e alla dispersione della luce. Le lunghezze d’onda del blu sono disperse, in modo simile alla dispersione della luce blu nel cielo, ma l’assorbimento è un fattore molto più grande della dispersione per le acque oceaniche chiare. Nell’acqua, l’assorbimento è forte nel rosso e debole nel blu, e così il rosso viene assorbito rapidamente nell’oceano, lasciando il blu. Quasi tutta la luce del sole che entra nell’oceano viene assorbita, tranne che molto vicino alla costa. Le lunghezze d’onda del rosso, del giallo e del verde sono assorbite dalle molecole d’acqua nell’oceano.
Quando la luce del sole colpisce l’oceano, parte della luce viene riflessa direttamente, ma la maggior parte penetra la superficie dell’oceano e interagisce con le molecole d’acqua che incontra. Le lunghezze d’onda del rosso, dell’arancione, del giallo e del verde vengono assorbite, e così la luce rimanente che vediamo è composta dalle lunghezze d’onda più corte del blu e del viola.
Qualsiasi particella sospesa nell’acqua aumenta la dispersione della luce. Nelle aree costiere, il deflusso dai fiumi, la risospensione di sabbia e limo dal fondo a causa di maree, onde e tempeste e una serie di altre sostanze possono cambiare il colore delle acque vicine alla costa. Alcuni tipi di particelle possono anche contenere sostanze che assorbono certe lunghezze d’onda della luce, alterandone le caratteristiche. Per esempio, le alghe marine microscopiche, chiamate fitoplancton, hanno la capacità di assorbire la luce nella regione blu e rossa dello spettro, grazie a pigmenti specifici come la clorofilla. Di conseguenza, quando la concentrazione di fitoplancton aumenta nell’acqua, il colore dell’acqua si sposta verso la parte verde dello spettro. Le particelle minerali fini come i sedimenti assorbono la luce nella parte blu dello spettro, facendo diventare l’acqua marroncina se c’è un carico massiccio di sedimenti.
La sostanza che assorbe la luce più importante negli oceani è la clorofilla, che il fitoplancton usa per produrre carbonio con la fotosintesi. La clorofilla, un pigmento verde, fa sì che il fitoplancton assorba preferibilmente le porzioni rosse e blu dello spettro luminoso e rifletta la luce verde. Le regioni oceaniche con alte concentrazioni di fitoplancton hanno tonalità di blu-verde a seconda del tipo e della densità della popolazione di fitoplancton. Il principio di base del telerilevamento del colore degli oceani dallo spazio è che più fitoplancton c’è nell’acqua, più è verde.
Ci sono altre sostanze che si possono trovare dissolte nell’acqua che possono anche assorbire la luce. Poiché queste sostanze sono di solito composte da carbonio organico, i ricercatori si riferiscono generalmente ad esse come materia organica disciolta colorata.