Scattering of light by colloidal aluminosilicate particles Produces the unusual sky-blue color of Río Celeste (Tenorio Volcano Complex, Costa Rica)

Abstract

Río Celeste (Sky-Blue River) in Tenorio National Park (Costa Rica), a river that derives from the confluence and mixing of two colorless streams-Río Buenavista (Buenavista River) and Quebrada Agria (Sour Creek)-is renowned in Costa Rica because it presents an atypical intense sky-blue color. Although various explanations have been proposed for this unusual hue of Río Celeste, no exhaustive tests have been undertaken; the reasons hence remain unclear. To understand this color phenomenon, we examined the physico-chemical properties of Río Celeste and of the two streams from which it is derived. Chemical analysis of those streams with ion-exchange chromatography (IC) and inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES) made us discard the hypothesis that the origin of the hue is due to colored chemical species. Our tests revealed that the origin of this coloration phenomenon is physical, due to suspended aluminosilicate particles (with diameters distributed around 566 nm according to a lognormal distribution) that produce Mie scattering. The color originates after mixing of two colorless streams because of the enlargement (by aggregation) of suspended aluminosilicate particles in the Río Buenavista stream due to a decrease of pH on mixing with the acidic Quebrada Agria. We postulate a chemical mechanism for this process, supported by experimental evidence of dynamic light scattering (DLS), zeta potential measurements, X-ray diffraction and scanning electron microscopy (SEM) with energy-dispersive spectra (EDS). Theoretical modeling of the Mie scattering yielded a strong coincidence between the observed color and the simulated one.Río Celeste (Río Celeste) en el Parque Nacional Tenorio (Costa Rica), un río que deriva de la confluencia y mezcla de dos arroyos incoloros, Río Buenavista (Río Buenavista) y Quebrada Agria (Arroyo Sour), es reconocido en Costa Rica porque presenta un atípico color celeste intenso. Aunque se han propuesto varias explicaciones para esta tonalidad inusual del Río Celeste, no se han realizado pruebas exhaustivas; las razones, por tanto, siguen sin estar claras. Para comprender este fenómeno de color, examinamos las propiedades físico-químicas del Río Celeste y de los dos arroyos de los que se deriva. El análisis químico de esas corrientes con cromatografía de intercambio iónico (IC) y espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) nos hizo descartar la hipótesis de que el origen de la tonalidad se debe a especies químicas coloreadas. Nuestras pruebas revelaron que el origen de este fenómeno de coloración es físico, debido a partículas de aluminosilicato en suspensión (con diámetros distribuidos alrededor de 566 nm según una distribución logarítmica normal) que producen la dispersión de Mie. El color se origina después de mezclar dos corrientes incoloras debido al agrandamiento (por agregación) de partículas de aluminosilicato suspendidas en la corriente del Río Buenavista debido a una disminución del pH al mezclarse con la ácida Quebrada Agria. Postulamos un mecanismo químico para este proceso, apoyado por evidencia experimental de dispersión dinámica de luz (DLS), mediciones de potencial zeta, difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido (SEM) con espectros de dispersión de energía (EDS). El modelado teórico de la dispersión de Mie arrojó una fuerte coincidencia entre el color observado y el simulado.