海水的颜色主要是由其光学性质决定的，即海水对太阳光线的吸收、反射和散射作用。我们知道，太阳光包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光，这些光的波长各不相同。波长较长的红光、橙光、黄光更容易被水分子吸收，而波长较短的蓝光和紫光在水中的穿透力较弱，更容易被散射和反射。由于人眼对紫光不太敏感，所以我们看到的海水通常是蓝色或深蓝色。海水越深，散射和反射的蓝光越多，因此看起来越蓝。如果将海水放在碗中，它和普通水一样，呈现无色透明状态。实际上，海水并不总是蓝色，它的颜色还会受到悬浮物质、水深、云层等因素的影响。例如，中国的黄海因古代黄河携带的泥沙而呈现黄绿色。尽管黄河现在改道流入渤海，但黄海北部通过渤海海峡与渤海相连，还有淮河等河流注入，因此海面仍然呈浅黄色。
红海位于亚非两洲之间，因其水温较高，海水中生长的一种水藻大量死亡后呈现红褐色，将海水染成红色，因此得名红海。黑海则因多瑙河、顿河、第聂伯河等河流的注入，表层水密度小，深层受地中海高盐度海水影响，密度大，导致上下层水体难以交换。黑海与地中海之间只有狭窄的土耳其海峡相通，使得海水难以大量交换。黑海下层海水长期缺氧，上层海水中生物分泌物和死亡动植物的沉降使得海水变黑。
北冰洋深入俄罗斯北部的白海，因高纬度地区终年寒冷，冰雪覆盖，且有机物含量较少，海水呈现出白色，因此得名白海。
关于海水颜色的另一种说法是：海水呈现黄色可能是因为海底有黄泥，绿色可能是因为没有沙子和泥土，白色可能是因为海水结冰，红色可能是因为海底存在某种矿物质，黑色可能是因为海中有大量黑泥，蓝色可能是因为天空的蓝色映射到海水中。
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