Die Farbe eines Mediums ist grundsätzlich das Ergebnis der Wechselwirkung auftreffender elektromagnetischer Strahlung (Licht) mit den Atomen oder Molekülen des Mediums – in diesem Fall des Wassers. Ohne Licht also keine Farbe. Der Mensch vermag Licht mit Wellenlängen zwischen 350 Nanometern (violett) und 750 Nanometern (rot) wahrzunehmen. Ungefiltertes Sonnenlicht dieses Wellenlängenbereichs empfinden wir als weiß. Erst wenn diesem weißen Licht bestimmte Wellenlängen entnommen werden, entstehen die Farbeindrücke.

Die Filterung des Sonnenlichts kann durch unterschiedliche Wechselwirkungen mit der Materie geschehen. Man unterscheidet Reflexion, Streuung und Absorption.

Bei der Reflexion wird ein auf eine Oberfläche auftreffender Lichtstrahl in seiner Richtung abgelenkt. Dieses Phänomen kann Wasser farbig erscheinen lassen, indem sich beispielsweise das Blau des Himmels darin spiegelt.

Streuung tritt an Materieteilchen auf, deren Durchmesser im Bereich der Wellenlänge des auftreffenden Lichts liegt. Ein solches Teilchen strahlt dann eine gestreute Lichtwelle in alle Richtungen ab. Die Energie für die gestreute – oder sekundäre – Welle wird der auftreffenden – oder primären – Welle entnommen, die danach in geschwächter Form das Medium weiter durchläuft.

Ist der Durchmesser des Teilchens sehr viel kleiner als die Wellenlänge des Lichts, spricht man von der so genannten Rayleigh-Streuung. Die Intensität des gestreuten Lichts hängt dabei vom Kehrwert der vierten Potenz der Wellenlänge ab. Blaues Licht wird deshalb etwa fünfmal stärker gestreut als rotes. Die Rayleigh-Streuung sorgt übrigens auch für die Blaufärbung des Himmels!

Schließlich wird Licht von Molekülen absorbiert, das heißt in Wärme umgewandelt. Dabei werden molekülspezifisch unterschiedliche Wellenlängen absorbiert.

Die Wechselwirkung von Wassermolekülen mit Lichtstrahlen ist nur sehr schwach, weswegen geringe Wassermengen wie Tropfen oder Pfützen farblos erscheinen. Mit zunehmender Strecke, die ein Lichtstrahl durch Wasser zurücklegt, werden jedoch immer mehr rote Lichtanteile absorbiert und blaue gestreut. Ein Taucher sieht deshalb mit zunehmender Tauchtiefe zuerst die roten, die grünen und schließlich die blauen Farben verschwinden.

Je mehr gestreutes Licht die Oberfläche des Wasserkörpers verlässt, desto intensiver ist der Farbeindruck. Ein reflektierender Untergrund – heller Sand beispielsweise – kann den Farbeindruck noch verstärken. Eindrucksvoll wird das an flachen Mittelmeerstränden oder Südseeatollen sichtbar.

Häufig wird die Farbe eines Wasserkörpers jedoch durch alle möglichen Schwebstoffe bestimmt. So verursachen die chlorophyllhaltigen Organismen des Phytoplanktons grünliche Farben, während mitgeführte Sedimente Flüsse und ihre Mündungen gelb-braun einfärben. Gletscherflüsse weisen häufig eine milchig weiße Färbung auf, die von fein zerriebenem Gesteinsmaterial herrührt. Bestimmte Blaualgen (Cyanophyceen) oder gelöstes Eisen sind hingegen für Rotfärbungen verantwortlich. Huminstoffe schließlich färben Wasser schwarz.