vignette|300x300px|La couleur bleue intrinsèque de l'eau est particulièrement visible à la surface de grands volumes d'eau, comme l'océan.
La couleur de l'eau peut être très variée en milieu naturel, et ces variations sont d'origines multiples. Elle est naturellement bleue de par ses propriétés d'absorption en raison de sa vibration moléculaire.
Alors que des quantités relativement faibles d'eau semblent incolores, l'eau pure présente une légère couleur bleue qui devient plus profonde à mesure que l'épaisseur de l'échantillon observé augmente. Les interactions des rayons lumineux avec les molécules d'eau, ainsi qu'avec la matière présente dans l'eau si elle est colorée et en quantité suffisante, confèrent à la surface une coloration. Cette matière peut être vivante, d'origine rocheuse ou organique.
La somme de toutes les interactions de l'eau avec son environnement explique la différence entre la qu'elle a en milieu naturel et la dans des conditions de laboratoire. La couleur de l'eau peut être mesurée grâce à l'échelle de couleur platine-cobalt.
Couleur intrinsèque
vignette|315x315px|Coefficient d'absorption de l'eau pure dans le visible en fonction de la longueur d'onde.
L'eau pure absorbe les rayons lumineux de haute longueur d'onde (rouge, orange, jaune…) et n'absorbe quasiment pas dans le domaine du bleu.
Les absorptions dans le spectre visible sont généralement attribuées à des excitations d'états d'énergie électronique dans la matière. L'eau est une simple molécule à trois atomes, , et toutes ses absorptions électroniques se produisent dans la région ultraviolette du spectre électromagnétique et ne sont donc pas responsables de la couleur de l'eau dans la région visible du spectre. L'origine de sa couleur est liée à sa vibration moléculaire.
La molécule d'eau possède trois modes fondamentaux de vibration. Deux vibrations d'étirement des liaisons O-H se produisent à v1 = et v3 = . L'absorption due à ces vibrations se produit dans la région infrarouge du spectre. La combinaison des modes de vibrations des molécules d'eau forme des harmoniques. L'absorption dans le spectre visible est due principalement à l'harmonique v1 + 3v3 = , ce qui équivaut à une longueur d'onde de 698 nm. Cette longueur d'onde correspond au domaine de la lumière rouge. L'eau absorbe donc par sa vibration les rayons de couleurs rouges. Le domaine du bleu n'est pas absorbé par ce procédé, les longueurs d'onde étant trop faibles, et ainsi les rayons bleus sont diffusés jusqu'à l'organe visuel, ce qui explique sa couleur.
alt=Photographie en couleur montrant un verre rond et long rempli à moitié d'eau.|vignette|L'eau dans un verre apparaît transparente. L'eau bleue est le seul exemple connu d'une couleur naturelle causée par des transitions vibratoires. Ceci est dû à la concentration unique en liaisons de l'eau. La plupart des molécules possèdent des énergies vibratoires dont la fréquence est inférieure à celle de l'eau, dans la gamme des vibrations infrarouges ou thermiques sans être dans la gamme de la lumière visible. Les atomes d'hydrogène dans l'eau sont très légers et les liaisons entre l'hydrogène et l'oxygène très fortes, ce qui leur confère des fréquences plus élevées, et permet ainsi l'accès à une vibration dans le spectre du visible.
Dans une eau parfaitement pure, la lumière ne pourra pas être diffusée vers la surface, donnant une couleur apparente noire à tous les plans d'eau. Comme la plupart des lacs et des océans contiennent de la matière vivante et des particules minérales en suspension, la lumière est réfractée sur cette matière et une partie de la lumière bleue est diffusée vers la surface. Dans de l'eau très pure, comme c'est le cas dans certains lacs de montagne, la diffusion des particules est très faible. Dans ce cas, la couleur bleutée, moins intense, est due à la réémission par les molécules d'eau elles-mêmes.
Cependant, en raison de sa transparence, l'eau n'absorbe que faiblement les rayons. En effet, l'intensité de l'absorption diminue nettement avec chaque harmonique successif, ce qui entraîne une absorption très faible pour le troisième harmonique. Il faut donc une certaine profondeur avant que le phénomène de coloration soit visible. Ainsi, l'eau dans un verre apparaît comme totalement incolore tandis que l'eau d'une piscine apparaît bleue car l'ensemble de la composante rouge du spectre a été absorbé.
Couleur apparente
Réflexion de l'environnement vignette|332x332px|Au premier plan, le fond est visible, et influence la couleur en surface. Au second plan, la réflexion de la montagne couvre l'eau. À l'horizon, la couleur du ciel se reflète sur l'eau. En dehors des conditions de laboratoire, l'eau évolue dans un milieu coloré par la nature environnante.
Cet environnement se reflète sur la surface de l'eau. Pour une eau suffisamment peu profonde et limpide, la couleur en surface sera proche de celle du sol, les rayons pouvant se refléter sur le fond. Le ciel se reflète aussi sur l'eau, et accentue sa teinte bleue. Bien que la couleur bleue de l'eau s'explique en majorité par son agitation moléculaire, le reflet du ciel en est la cause principale à l'horizon. La contribution relative de la réflexion du ciel et de la lumière rétrodiffusée par les profondeurs dépend fortement de l'angle d'observation.
Lors du crépuscule, le ciel prend une coloration rouge et baisse en luminosité. Or, l'eau absorbe dans le domaine du rouge et est assombrie par la baisse de luminosité. Dans ces conditions, elle apparaît comme noire.
Tous les reliefs proches du plan d'eau peuvent se refléter. Leurs ombres peuvent aussi l'assombrir. Il est très commun pour les cours d'eau en milieu naturel d'avoir une couleur apparente verte en raison de la réflexion de la végétation environnante sur la surface.
Enfin, la réflexion n'est pas uniforme à la surface d'une eau en mouvement, créant des bandes de réflexion, et en cas d'écoulement turbulent, les bulles d'air formées renvoient les rayons lumineux blancs, donnant à la surface une couleur blanchâtre.
Présence de matière en solution
Sédiments en suspension Dans la nature, l'eau interagit avec son milieu, en charriant de la matière avec laquelle elle réagit. Une première interaction possible est la mise en suspension de la matière.
Les sédiments en suspension, composés de sable très fin, de limon et d'argile, peuvent être responsables du changement de couleur et de turbidité de l'eau des rivières et des lacs. Ces particules minérales d'origine rocheuse sont issues des processus d'érosion du sol. Le changement de couleur de l'eau dû aux sédiments peut être temporaire, après une crue ou une tempête, ou permanent si la rivière transporte en permanence une quantité élevée de sédiments. La couleur de l'océan qui présente une concentration en matière en suspension (MES) de l'ordre de 10-2 mg par litre est très peu affectée par celle-ci. En revanche, la turbidité joue un rôle majeur dans la couleur d'une eau de rivière, dont la concentration en MES peut être estimée en moyenne à 102 mg par litre. vignette|276x276px|Le lac Peyto, d'un point de vue à la promenade des Glaciers, Canada, présente une couleur turquoise en raison de sa forte concentration en farine de roche.
L'influence des MES en eau douce est particulièrement visible dans des zones naturelles ayant subi une forte érosion. Dans certains lacs de montagne, de très petites particules sédimentaires appelées communément , provenant de l'abrasion des glaciers sur la roche, confèrent une couleur aigue-marine à l'eau. Le glacier exerce son effet abrasif sur une petite portion du territoire, et celui-ci est plus élevé en son centre où la masse est plus grande. Ainsi, les lacs présentent les mêmes sédiments en suspension, essentiellement du quartz ou du feldspath broyés, avec des concentrations différentes, et donc des colorations différentes.
Métaux lourds La présence de certains métaux en solution dans la nature peut influencer la couleur de l'eau. Cette présence est négligeable dans les grands volumes d'eau. Les océans et les grands lacs ne sont donc que peu influencés par ces substances. Néanmoins, leur impact peut être visible dans un petit plan d'eau ou une rivière. Dans ces milieux, le métal le plus commun est le fer, suivi du manganèse, tous deux étant des métaux de transition issus de l'érosion des sols. vignette|275x275px|Le Río Tinto, fleuve du sud-ouest de l'Espagne, présente une couleur rouge en raison de sa forte concentration en fer dissous dans l'eau.
La forme sous laquelle se trouve le métal détermine la couleur de l'eau, un même métal pouvant fortement colorer l'eau ou n'avoir aucune influence en fonction de son état d'oxydation. Dans les aquifères, où la teneur en oxygène est faible, les formes réduites de fer et de manganèse prédominent sous des formes claires et incolores. Lorsque l'eau des aquifères contenant du fer et du manganèse est exposée à l'air, ces éléments sont oxydés en des formes moins solubles dans l'eau. Dans le cas du fer, il se forme des particules solides blanches, puis jaunes et enfin rouge-brun qui se déposent hors de l'eau. Les particules d'oxyde de fer (la rouille) restent en suspension à cause de trois phénomènes : le brassage de l'eau (causé par son déplacement), la viscosité de l'eau et la densité relative des particules par rapport à l'eau (proche de l'unité), ce qui confère à l'eau une teinte rouge, comme cela peut être visible dans le Río Tinto en Espagne.
Les formes oxydées du manganèse restent généralement dissoutes dans l'eau et sont à l'origine d'une teinte noire de l'eau. Le mélange des métaux peut aussi conférer une coloration unique. Le fer et le manganèse sont souvent présents conjointement dans les cours d'eau, et leur mélange confère à l'eau une couleur qui tend vers le jaune marron.
Présence d'ions en solution La présence d'ions dans l'eau peut provoquer la précipitation de minéraux qui colorent la surface.
Des composés à l'origine incolore en solution peuvent devenir des molécules colorées grâce à des réactions chimiques. Les rivières, avec une concentration moyenne en ions de 10 à 102 mg/L, sont surtout composées d'ions calcium (Ca2+), magnésium (Mg2+) et bicarbonate (). Le calcium et le bicarbonate réagissent en milieu aquatique pour former du carbonate de calcium (CaCO3), suivant la réaction : . Cette molécule se retrouve en grande quantité dans l'eau de certains lacs. En effet, des roches calcaires comme la craie ou la calcite s'érodent et libèrent des particules de carbonate de calcium dans l'eau. Ce composé chimique blanc et très peu soluble dans l'eau, de l'ordre de 15 à 20 mg/L à , entre en suspension dans l'eau. Ces particules blanchissent l'eau, ce qui par synthèse additive avec le bleu de l'eau donne une teinte turquoise. vignette|291x291px|Une vue aérienne d'un , nuage de particules de carbonate de calcium dans le lac Ontario.
Les se produisent généralement à la fin de l'été, autant dans les eaux douces que salées, et sont causés par des changements de température de l'eau, ce qui permet à de fines particules de carbonate de calcium de se former dans la colonne d'eau. De plus, en milieu acide, le carbonate de calcium se convertit en un composé très soluble et incolore dans l'eau, le bicarbonate de calcium . Le gaz carbonique dissous dans l'eau forme de l'acide carbonique suivant la réaction : . Cet acide réagit avec le carbonate de calcium :. Dans ces conditions, l'eau n'est pas colorée par le bicarbonate de calcium. Néanmoins, l'augmentation de la photosynthèse par le phytoplancton et d'autres espèces marines microscopiques en période chaude peut réduire la quantité de dioxyde de carbone() dans l'eau. Cela permet la transformation ponctuelle du bicarbonate de calcium en carbonate de calcium (). Ces particules de carbonate de calcium provoquent un de l'eau, c'est-à-dire l'éclaircissement ponctuel du plan d'eau. vignette|289x289px|, lac acide de Wai-o-tapu, Nouvelle-Zélande.