0,0
рейтинг
20 августа 2012 в 10:32

О цвете неба

В связи с известными событиями, а именно, началом работы ровера Curiosity на красной планете, вновь обострились конспирологические настроения в интернетах, равно как и среди обитателей хабра.

Где-то здесь же упоминалось о некой, согласно словам комментаторов, «желтоватой» статье, с объяснением, что небо на любой планете не может быть постоянно красноватым. Конкретно той статьи не видел, так что если она на хабре — то заранее пардон за потенциальную возможность дублирования.

А теперь — ближе к делу. Просто вкратце расскажу о явлении рассеяния электромагнитных волн. Обойдусь по возможности без формул.

Рассеяние Рэлея



В 1871 году Джон Уильям Стретт, более известный как лорд Рэлей (хотя именно в этом году таковым он ещё не был), предложил описание рассеяния на основе классической электродинамической теории, которое впоследствии прекрасно объяснило голубой цвет неба днём и красный — на закате.

Сам процесс происходит тогда, когда электромагнитная волна распространяется в среде, заполненной какими-либо мелкими частицами. В случае в моделью Рэлея, она работает, если размер этих частиц много меньше длины волны. Применительно к видимому свету, таковыми оказываются размеры молекул газов, составляющих атмосферу планеты, что и определяет наблюдаемые характеристики явления.

Итак, длина волны много больше размера частицы. По этой причине можно принять, что частица пребывает в однородном поле, меняющемся во времени с частотой колебаний волны, и в результате этого частица, как и любой материальный объект, помещённый в поле, приобретает электрический P и магнитный M момент. То бишь, становится диполем, создающим собственное электрическое и магнитное поле. При этом величина моментов, естественно, зависит от времени — они осциллируют с той же частотой, что и волна.

А осциллирующий диполь заведомо является излучателем (на этом принципе работает заметная часть антенн передатчиков), и переизлучает падающую на него энергию — именно таков механизм рассеяния в модели Рэлея. Амплитуда рассеянной волны на больших (много больших длины волны) расстояниях пропорциональна квадрату частоты:



Также она определяется и направлением n, в котором происходит переизлучение, и расстоянием до диполя R, однако в настоящий момент нас это не интересует.

Интенсивность же равна квадрату амплитуды, и потому пропорциональна уже четвёртой степени частоты (формула для интенсивности излучения в бесконечно малый телесный угол):



Таким образом, рассеяние резко усиливается по мере роста частоты волны (сдвиге в фиолетовую область спектра). Голубой же и синий цвет неба (а не фиолетовый) обусловлен уже эффектами усиления поглощения на высокой частоте. На небольших частотах поглощение пропорционально кубу частоты, а на больших — пятой степени, и становится преобладающим процессом (между делом, именно благодаря этому планета с атмосферой эффективно защищена от внешнего рентгеновского и гамма-излучения не слишком высоких энергий).

И рассеяние, и поглощение электромагнитных волн в атмосфере резко усиливается по мере уменьшения длины волны. Таким образом, цвет неба при прочих равных условиях полностью определяется соотношением этих двух факторов, и ничем иным.

На Земле атмосфера достаточно плотная, и потому поглощение в ней достаточно сильное. Потому днём, когда солнце высоко, его лучи проходят сравнительно короткий путь в атмосфере, так что коротковолновая часть спектра оказывается не сильно поглощена. Поскольку она рассеивается сильнее, то она и является преобладающей — небо становится голубым. А на восходе и закате свет от солнца идёт по сути параллельно локальному участку поверхности планеты, и путь его оказывается в разы длиннее — в результате за счёт поглощения отфильтровываются не только синие и голубые оттенки, но и зелёные с жёлтыми.

Кроме того, свет на заре входит в атмосферу под очень острым углом, что определяет некоторую роль преломления и дисперсии (происходит разложение в спектр) — красная часть спектра преломляется слабее и проходит больший путь вдоль поверхности.

При сравнительно малой плотности атмосферы, как на Марсе, следует ожидать, в первую очередь, заметного снижения интенсивности процесса рассеяния. Однако небо от этого становится только темнее, но не краснеет.

Рассеяние Ми



Модель Рэлея, как и следовало ожидать, может быть получена из общей теории в приближении малых размеров рассеивающих частиц. Рассеяние электромагнитной волны на сферах (в оригинальной работе, 1908 г.) произвольного размера описывается в теории Ми (однако часто её упоминают только в контексте ситуации больших частиц).

Итак, в случае, если частицы много больше длины волны, срабатывает обратное рэлеевскому приближение теории Ми. Причина возникновения рассеяния та же самая — переизлучение энергии падающей волны колеблющимися диполями. Подробное его описание сделать весьма сложно, поскольку для этого требуется полностью решить систему уравнений Максвелла для волны в пространстве, заполненном такими рассеивающими объектам. Потому часто при рассказе о данной теории ограничиваются лишь перечислением её особенностей в сравнении с рэлеевской задачей. Воспользуемся проторенной дорожкой и укажем наиболее характерные моменты:

  1. Сложность описания вызвана тем, что при больших размерах частиц приближение однородного поля становится недопустимым.
  2. При больших размерах частиц интенсивность рассеяния практически не зависит от длины волны.


Итак, вторая особенность оказывается самой существенной. Она объясняет белый и серый цвет облаков, тумана, пыли, изменение цвета неба от зенита к горизонту.

Исходя из этого, небо на Марсе должно быть серо-голубым. Голубым благодаря рассеянию Рэлея, и серым благодаря постоянно висящей в атмосфере пыли. Последнее обеспечивается низкой гравитацией и сухостью породы в совокупности с сильными ветрами.

А оранжевый и красный оттенок неба может наблюдаться только во время бурь. Как, впрочем, и на Земле происходит (на картинке из википедии — песчаная буря в Сиднее).



Во время пылевых бурь достаточно мелкие частички пыли в большой концентрации, особенно если они подняты на несколько километров над поверхностью, резко усиливают поглощение коротковолновой части спектра, и преобладающим становится как раз красный оттенок. Аналогичное явление может наблюдаться при мощных извержениях вулканов. Наглядным историческим примером служат описанные во время извержения Кракатау (1883 г.) необычайно интенсивные оттенки зорь.

upd: статья в УФН с детальным обзором рассеяния.

upd 1: При взгляде на формулу, описывающую поглощение, не к тому символу отнёс куб. На самом деле, интенсивность поглощения пропорциональна на малой частоте — первой степени, на больших — третьей (а не третьей и пятой). Существенную роль может диэлектрическая проницаемость играть, т.к. она сама по себе также есть функция частоты.
ответить

upd 2: Как всегда и бывает, с численными оценками долго думать не нужно было. Достаточно сопоставить атмосферные давления, и увидеть, что на Марсе интенсивность рэлеевского рассеяния будет на 2-3 порядка ниже, чем на Земле. Что исключает видимый голубоватый цвет неба. Разве что его можно в спектрах выявить, например — по суточному изменению. Но уже незачем, похоже. В итоге, цвет практически полностью определяется висящей в атмосфере пылью. А здесь, благодаря рассеянию на крупных частицах, получаем равномерный эффект для любой длины волны, что равнозначно пасмурному серому цвету. С поправками на особенности отражения и поглощения самих частичек.
Кирилл Циберкин @kbtsiberkin
карма
59,0
рейтинг 0,0
Пользователь
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (29)

  • +5
    image

    Вот такие цвета вам кажутся правдоподобными?
    • +2
      Побольше пыли в воздухе. Рассеяние плюс, вполне вероятно, цвет пыли (можно ожидать, что он существенно меняет интенсивность поглощения в зависимости от частоты) — серый оттенок с уклоном в красный.
      • +7
        Просто камеры MastCam оснащены, помимо прочих специальных фильтров, фильтрами Байера, и могут снимать нормальные полноцветные изображения:

        Each Mastcam uses a Bayer Pattern Filter CCD to obtain natural color pictures of a quality just like that of consumer digital cameras. This provides nearly true color views—that is, similar to what the human eye would see on Mars.

        На мой взгляд, обычный серенький пыльный цвет…
    • 0
      На странице с описанием этого снимка на сайте NASA есть второе изображение с пометкой «White-balanced», на сколько я понимаю, именно оно ближе всего к реальному виду атмосферы Марса:
      • +5
        Нет, как раз наоборот.
        In this version of the image, colors have been modified as if the scene were transported to Earth and illuminated by terrestrial sunlight. This processing, called «white balancing,» is useful for scientists to be able to recognize and distinguish rocks by color in more familiar lighting.
        «В этой версии изображения цвета были модифицированы так, как если бы этот пейзаж был перемещен на Землю и освещен „земным“ солнечным светом. Такой вид обработки, который называется „балансировка белого“, помогает ученым лучше различать и распознавать камни по цвету в более привычном освещении».

  • 0
    На сколько мне известно в Спирити и Опортьюнити (прошлых 2 марсоходах) изображение формировалось на основе нескольких фильтров, поэтому та были возможны какие-то сомнения и т.п., но Курьезити оснащен в том числе и обычной фотокамерой, так что снимаемые им цвета вполне точно передают цвета марса.
    • +5
      На самом деле и «обычная фотокамера» снимает через светофильтры, просто объединенные с матрицей. Поэтому принципиальной разницы нет.
      • +2
        The MastCam system provides multiple spectra and true-color imaging with two cameras

        msl-scicorner.jpl.nasa.gov/Instruments/Mastcam/

        Ссылка взята из википедии en.wikipedia.org/wiki/Curiosity_rover#Rover_instruments

      • 0
        Вроде как принципиальная разница в том, что предыдущие снимали на инфракрасные фильтры, обычного красного не было, поэтому приходилось конвертировать.
        • 0
          Это уже другой вопрос, какие использовались фильтры. Я просто указал на некорректность противопоставления съемки через внешние фильтры и «встроенные».
  • +12
    Исходя из этого, небо на Марсе должно быть серо-голубым. Голубым благодаря рассеянию Рэлея, и серым благодаря постоянно висящей в атмосфере пыли. Последнее обеспечивается низкой гравитацией и сухостью породы в совокупности с сильными ветрами.

    Только упускается момент, что атмосфера Марса на два порядка меньее плотная и примерно эквивалентна атмосфере Земли на высоте 35 километров, а судя по фотографиям с метеозондов небо там вполне себе чёрное и фиолетовый оттенок практически не заметен. Таким образом компонента взнос Рэлеевского рассеяния будет пренебрежимо мал, так что никакого «серо-голубого» по идее быть не должно.
    Далее почему-то забывается что рассеяние Ми описывает работает для диэлектрических сфер, которые мне кажется не очень хорошо будут описывать частицы взвеси в марсианской атмосфере, ибо у них вполне есть свой спектр поглощения, иначе говоря они не бесцветны в отличие от идеальных диэлектрических сфер.
    • 0
      Да, теория Ми работает для диэлектрических частиц. И переизлучение будет происходить именно по тем же принципам, что и у Рэлея — частица диэлектрика поляризуется и приобретает собственный электрический и магнитный моменты.
    • +2
      У нас на высоте 35 км пыли вероятно нет.
      • +6
        В первом абзаце речь шла об Рэлеевском рассеянии, которое происходит не на пыли, а на молекулах газов. Т.е. целью было обратить внимание, что синий цвет от данного вида рассеяния по всей видимости будет пренебрежимо мал, а значит никакого «серо-голубого» не будет из-за практически полного отсутствия этого самого голубого.

        Во втором же параграфе говорилось о том, что из-за того что частицы взвеси в марсианской атмосфере не являются идеальными сферическими диэлектриками, то следовательно цвет атмосферы будет иметь красновато-желтоватый оттенок, т.е. всё будет именно так как обычно и пишут, без сенсаций.
  • +1
    Добавил в статью ссылку на статью о рассеянии из УФН, ежели кому интересно.
  • +2
    " Рассеяние электромагнитной волны на сферах (в оригинальной работе, 1908 г.) произвольного размера описывается в теории Ми (однако часто её упоминают только в контексте ситуации больших частиц)." тут хотелось бы уточнить, имелось ввиду бОльших или большИх.
    На заре студенческих лет занимался изучением процессов светопоглощения коллоидами серебра в непоглощающих матрицах, приходилось много советоваться с оптиками относительно теории Ми и расчётов спектров светоослабления по ней. Так вот, они говорили, что теория Ми в своём классическом виде адекватно описывает процессы светорассеяния и светопоглощения только для частиц размером не более 20 нм (и то, вид самого уравнения оч сильно зависит от формы частицы). Для всего что больше уже надо использовать различные модели и приближения.
    Хотя могу и ошибаться, давно это было.
  • +1
    Исходя из этого, небо на Марсе должно быть серо-голубым

    Теория одно, а практика другое…
  • +6
    По вашей ссылке pandoraopen.ru/2012-05-02/goluboe-nebo-na-marse-nasa-xotela-skryt-istennye-foto/ есть куча занимательных комментариев. Например:
    «В данный период времени читаю книгу И.П. Неумывакина “Биоэнергетическая сущность человека”. В этой книге содержится информация от Высшего Космического Разума, принятая другом Неумывакина Е.И.Ливенцовым. Вот цитата из послания ВКР:”Вы не должны посылать свои корабли на планеты Венера и Марс, они не должны быть посещаемы людьми Земли и их кораблями. На этих планетах никогда телесной жизни не было, но будет после того, как родятся вокруг них такие спутники, как Луна у Земли. Не ищите в кратерах Марса разумных действий человека или какого-либо еще телесного организма. Все это пока работа Высшего Разума по подготовке этой Планеты к будущей, через многие тысячи лет духовно-телесной жизни бологических организмов на ней.»

    Seems legit.
    • +1
      вот это лучше:
      >>Марсоход, только сегодня прилетел на Марс, а вы народ обманываете!
    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
      • 0
        Ссылка на эту перепечатку, применяемую как образец распространяющейся в Сети очередной идеи «теории заговора», приведена лишь постольку, поскольку оно мне слишком неоднократно попадалось на глаза за последнюю неделю.
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • 0
      Исходя из этого — очевидно, нет. Значит, дело в пыли.

      Утверждение в тексте о серо-голубом цвете родилось ввиду того, что реальных оценок интенсивности эффектов я не делал. Пост был написан по наводке phprus от утреннего безделья на работе, базируясь на воспоминаниях курса электродинамики со взятым из шкафа 8-м томом Ландау под рукой.
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
        • 0
          Хм. Прекрасная идея на курсач какому-нибудь нашему студенту, более сведущему в программировании, а не в теории, и попутно не испытывающего энтузиазма к профилю кафедры. Тоже ведь ценные кадры. Запомню-ка на будущее, вдруг лет через пяток, будучи на должности доцента, придётся кому-нибудь такому давать тему.

          В настоящий момент пробую на бумажке посмотреть, что-то может и выйдет.
  • 0
    Так-с… Глаз при взгляде на формулу, описывающую поглощение, не к тому символу отнёс куб. На самом деле, интенсивность поглощения пропорциональна на малой частоте — первой степени, на больших — третьей (а не третьей и пятой). Существенную роль может диэлектрическая проницаемость играть, т.к. она сама по себе также есть функция частоты.
  • 0
    Как всегда и бывает, долго думать не нужно было…

    Достаточно сопоставить атмосферные давления. На Марсе интенсивность рэлеевского рассеяния будет на 2-3 порядка ниже, чем на Земле. Что исключает видимый (но можно в спектрах выявить, наверное — по суточному изменению) голубоватый цвет неба. В итоге, он практически полностью определяется висящей в атмосфере пылью. А здесь, благодаря рассеянию на крупных частицах, получаем равномерный эффект для любой длины волны, что равнозначно пасмурному серому цвету.
  • 0
    Порой идешь по улице и вдруг цвет солнца начинает внезапно желтеть: ветер поворачивает дым труб ТЭЦ, и он заслоняя солнце поглощает часть голубого конца спектра.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.