Небо чем выше тем темнее
Темное небо
Небо мы видим через толстый слой воздуха. А воздух состоит из смеси мелких частичек — молекул газов, капелек воды и пылинок. Голубые световые лучи рассеиваются молекулами кислорода, находящимися в воздухе. Поэтому, когда в небе сияет солнце, мы видим голубое небо. А когда солнце заходит, и нет лучей, которые можно рассеивать, небо темнеет.
Другие частички — пылинки и водяные капельки — рассеивают световые лучи любого цвета. Рассеянный ими свет луны или солнца — белый. Чем больше этих частичек в воздухе, тем белее и светлее небо. Конечно, если есть что рассеивать (безлунной ночью небо очень темное). Поэтому небо темнее будет там, где в воздухе меньше пыли и водяных капелек. А еще темнее — если и воздуха мало. Поэтому высоко в горах небо даже днем темно-синее, а в космосе, где нет воздуха, — черное.
Итак, небо будет темнее всего там, куда, с одной стороны, попадает как можно меньше света, и с другой — нечему этот свет рассеивать. На Земле самое темное небо бывает, конечно, ночью, причем в том месте Земли, где солнце заходит глубже всего за горизонт, то есть находится буквально под ногами наблюдателя — по ту сторону земного шара.
Такое случается в экваториальной зоне земного шара между двумя тропиками, где солнце бывает в зените (то есть непосредственно над головой наблюдателя). Соответственно, в этот момент наблюдатель должен оказаться в противоположной точке земли.
На северном и южном тропиках солнце находится в зените только раз в год — в день летнего солнцестояния: 21 июня на северном тропике и 22 декабря на южном. В остальных точках тропического пояса солнце бывает в зените дважды в год (на самом экваторе это случается в день весеннего и осеннего равноденствия)
Кроме этого, ночь должна быть безлунной, а наблюдение должно проводиться подальше от населенных пунктов и высоко в горах. Поэтому в подходящую ночь вершина Гималайских гор (они самые высокие на планете; правда, находятся они уже чуть севернее северного тропика), наверное, будет самым удачным местом для наблюдения самого темного неба.
Самое темное небо днем может наблюдаться опять же на вершине гор. Для этого надо смотреть в какую-либо точку неба, которая находится под прямым углом к солнцу. Из-за особенности рассеяния солнечных лучей в атмосфере именно с этого направления к нам приходит меньше всего света.
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:
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 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.
Начало пути: свет и цвет в пейзаже
Освещение напрямую влияет на атмосферу и настроение в картине. Изучая физические свойства различных видов освещения, мы сможем передавать реальность в своих работах. Наш мозг на подсознательном уровне выстраивает «правильность» видимой нами картинки, и если в ней что-то не так, то мы все равно осознаем, что там присутствует ошибка. Именно поэтому важно изучить, как работает свет в различных обстоятельствах.
Атмосфера Земли рассеивает более короткие длины волн света, что приводит к созданию голубого неба и к красноватому свету от самого солнца. Чем больше воздуха проходит солнечный свет, тем больше он рассеивается. Это означает, что по мере того, как солнце опускается все ниже, оно должно проходить через более толстый слой атмосферы, вызывая тем самым большее рассеяние в начале и конце дня.
Облака также оказывают большое влияние как на цвет, так и на характер солнечного света. Облака полупрозрачны, что означает, что они пропускают свет через себя, но рассеянно. Когда свет проходит через прозрачную поверхность, такую как стекло, лучи остаются параллельными, однако когда свет проходит через полупрозрачное вещество, лучи отражаются внутри него и выходят в нескольких направлениях. Это явление похоже на рассеяние голубого света атмосферой, но в облаках оно происходит на всех длинах волн света, а не только на более коротких.
Эффект, который эта диффузия оказывает на солнечный свет, состоит в том, чтобы смягчить его, превратив небольшой жесткий источник света (солнце) в большой и мягкий (все небо). На цвет также сильно влияет облачный покров, поскольку облака скрывают голубое небо и исходящий от него свет.
Давайте рассмотрим примеры, как это происходит в различное время суток и при разной облачности.
1. Полуденное солнце
Когда солнце находится в своей наивысшей точке на небе, свет становится самым белым и сильным. Контраст очень высок, тени очень темные. Чтобы такое освещение было правдоподобно воссоздано, оно должно быть очень сильным и высококонтрастным.
Сильный свет имеет эффект отбеливания цветов, и они кажутся менее насыщенными, чем в другое время суток. Вода, например, очень выгодно смотрится на таком сильном свету, и многие фото тропических морей делаются в полдень. В других случаях высокая контрастность может быть использована для творческого эффекта.
Это изображение типично для полуденного освещения, обратите внимание, что песок на переднем плане полностью белый, а тень-черная как смоль. Контраст слишком высок, чтобы пленка могла воспроизвести весь спектр оттенков.
Воду хорошо фотографировать в полдень, потому что солнечный свет находится под хорошим углом, чтобы избежать отражения в нашу сторону. В отличие от большинства других предметов, этот вид света очень эффективно выявляет цвет в океане.
На этом фото сильный контраст полуденного солнца. Использование инфракрасного фильтра еще больше усилило этот эффект, в цвете изображение, вероятно, не было бы таким привлекательным.
2. Поздний день/ранний вечер
По мере того как солнце садится, его свет становится все теплее, так что к вечеру солнечный свет приобретает очень явный желтый оттенок. Цвет неба также приобретает более глубокий оттенок синего из-за снижения уровня освещенности.
3. Закат
К тому времени, когда солнце садится, оно становится темно-оранжевым или красным, и его свет также становится намного слабее, что означает, что к настоящему времени контраст очень низок. Более слабый солнечный свет также означает, что свет неба приобретает большее значение, а теневые области становятся более глубокими и насыщенными оттенками синего. Тени на закате очень длинные, и текстура очень заметна.
Небо на закате может быть невероятно красочным, если есть какие либо облака, и в отличие от остальной части дня облака теперь освещены снизу и приобретают драматические красные или оранжевые оттенки. Эти цвета добавляют некоторую сложность цвету и в результате могут влиять на цвет в теневых областях, иногда превращая их в фиолетовый или розовый.
Закаты также очень разнообразны с точки зрения цвета и атмосферы, факт, который легко подтверждается, если вы наблюдаете несколько закатов подряд, ни один из них не будет одинаковым.
4. Сумерки
Это очень особенное время суток с непредсказуемым, но часто очень красивым освещением. Поскольку солнце больше не находится над горизонтом, само небо является единственным источником естественного света. В результате свет очень мягкий, с небольшими тенями и контрастом, цвета нежные.
После захода солнца в ясный день на востоке неба часто появляется розовая область, явление, называемое «Альпийское свечение» (alpenglow), которое встречается очень часто, но может удивить тех, кто не привык его замечать. Alpenglow может отбрасывать заметный розовый свет на отражающие поверхности, такие как белые дома, песок или воду. Однако этот розовый свет слишком слаб, чтобы воздействовать на более темные поверхности, такие как листва, поэтому часто земля может выглядеть темной в это время.
Однако альпенглоу не является гарантированной особенностью неба в сумерках, в другое время восточное небо просто синее. На Западе, где солнце освещает небо из-за горизонта, всегда есть желтое или оранжевое свечение. Свечение от солнца может длиться более часа после захода солнца, хотя цвет на востоке неба гораздо короче и меняется очень быстро. Стоит отметить, что западное небо также может быть розовым, а также желтым, оранжевым или красным.
В пасмурных условиях цвет неба всегда голубее (ясное небо необходимо для розового света) и обычно гораздо темнее, а ночь наступает быстрее.
5. Пасмурная погода
Пасмурный свет бывает нескольких видов, в зависимости от толщины облаков и времени суток. Вопреки распространенному мнению, он действительно может быть довольно красивым, и у него есть много привлекательных качеств. Поскольку все небо действует как один источник света, свет мягкий и рассеянный, с очень мягкими тенями. Контрастность низкая, а насыщенность цвета обычно довольно высокая.
Пасмурный свет часто воспринимается как скучный, но он также может быть красивым. Поскольку он очень мягкий, его можно использовать, чтобы показать цвет и текстуру. Отражающие поверхности также могут выглядеть привлекательно, поскольку белое небо дает широкие и мягкие отражения самого себя, это чаще всего видно в воде и на других поверхностях, таких как металл (автомобили).
6. Ночь
Если луна видна, то помните, что лунный свет на самом деле является просто отраженным солнечным светом и подчиняется тем же правилам, что и солнечный. Когда луна находится у горизонта, она имеет красный или желтый цвет, но по мере того, как она поднимается выше, она становится белее. Поверхность луны практически бесцветна, будучи оттенками серого.
Свет с неба рассеянный и мягкий, однако если есть какой-то лунный свет, он будет жестким, как и солнце. Главное отличие от солнечного света заключается в том, что он гораздо слабее, поэтому соотношение между жестким лунным светом и мягким светом неба будет иным, чем при дневном свете.
7. Дымка или туман.
Свет также взаимодействует с нашей атмосферой, если в ней есть частицы, которые отражают или рассеивают свет. Частицы пыли, воды или загрязняющих веществ улавливают свет и придают ощущение объема, создавая солнечные лучи, дымку или туман.
Дымка почти всегда присутствует в воздухе, и именно она создает воздушную перспективу. Предметы, которые находятся дальше от нас, выглядят более тусклыми, голубыми и низкими по контрасту, потому что свет, отражающийся от них, был слегка рассеян дымкой.
Туман очень похож на дымку, только гуще. Он очень сильно рассеивает свет, и если вы окажетесь в густом тумане, то свет станет настолько рассеянным, что будет иметь одинаковую силу со всех сторон.
Дымка обычно бывает белой или светло-голубой, в зависимости от погоды: обычно она синяя при солнечном свете (потому что отражает небо) и белая, если облачно. Туман белый (как облака), но также может принимать любые цвета с неба или от солнца, поэтому на практике он может выглядеть синим или даже желтым или оранжевым.
Упражнение для закрепления
Для лучшего усвоения материала предлагаем вам нарисовать собственный пейзаж и применить к нему вышеперечисленные виды освещения. При желании можете дополнить их более драматичным освещением, таким как пламя костра, проливной дождь и пр.
В виде небольшой шпаргалки при рисовании можно использовать заметки от Lulu Zhang:
Похожее упражнение мы описывали в статье о работе с цветом.
Далее будет еще одна статья об освещении при работе с персонажами. Не пропустите!
Источник, изученный при подготовке этой статьи:Физика света
Всех желающих пройти полный путь создания собственного проекта от начала до конца приглашаем на наши курсы, где подробно расскажем о процессе создания игровой графики и цифровой иллюстрации, научим работать в техниках Matte Painting и 3D, а также поможем прокачать анатомию.
В течении нескольких месяцев вы пополните свое портфолио качественными работами и получите профессиональный фидбек от преподавателей!
Подписывайтесь на наш обучающий паблик – здесь много уроков, статей и челленджей.
Материал подготовила Диана Мова для школы CG LAB, редактор Лина Сидорова.
Почему ночное небо темное?
Если как следует задуматься над вопросом о том, почему ночное небо темное, то вам может показаться что все это не имеет смысла. При этом у любого, кто хоть раз всматривался в ночное небо не возникает никаких сомнений в том, что оно очень темное. Атмосфера на нашей планете в значительной степени прозрачна для видимого света, что позволяет нам всматриваться в бескрайний космический океан. В течение дня солнечный свет заливает атмосферу во всех направлениях, причем как прямой, так и отраженный солнечный свет поступает отовсюду. Ночью солнечный свет не проникает в атмосферу, поэтому небо выглядит темным. Но это – лишь часть сложного ответа на вопрос о том, почему мы вообще считаем, что небо и в том числе космос – черного цвета.
Кстати, цвет – всего лишь иллюзия, искусно созданная мозгом
Бесконечна ли Вселенная?
Вселенная полна звезд и галактик, которые находятся на огромных расстояниях друг от друга: миллионы, миллиарды или даже десятки миллиардов световых лет. Звездный свет путешествует по Вселенной и достигает наших телескопов, открывая тайны мироздания. Не исключено, что Вселенная бесконечна, а количество звезд и галактик в ней невозможно сосчитать. На самом деле ученые до сих пор не определились, конечна Вселенная или нет; мы просто не знаем. Зато мы знаем, что та часть Вселенной, которую мы можем наблюдать, должна быть конечной.
Еще в 1800-х годах Генрих Ольберс обратил внимание на один математический парадокс. Если бы наша Вселенная была бесконечна с постоянной плотностью звезд и/или галактик, то мы бы видели бесконечное количество света со всех сторон, куда бы ни посмотрели. Сначала мы бы увидели звезды поблизости, а затем – в промежутках между ними – разглядели бы еще более дальние звезды. При этом вне зависимости от расстояния – миллионы, миллиарды, триллионы квадриллионы световых лет и т. д. — в конце концов, куда бы мы ни посмотрели, мы бы наткнетесь на звезду.
Еще больше увлекательны статей о том, какие тайны скрывает в себе наша Всленная, читайте на нашем канале в Яндекс.Дзен. Там регулярно выходят статьи, которых нет на сайте!
Важно понимать, что звезды могут быть самых разных цветов, форм и размеров. Так, на просторах Вселенной существуют звезды многократно превосходящие массу нашего Солнца. Лучше всего это иллюстрирует снимок звездного скопления NGC 3766, в созвездии Центавра. Если бы Вселенная была бесконечной, даже в таком скоплении не было бы «промежутков» между звездами, так как более удаленная звезда в конечном итоге заполнила бы эти промежутки.
Перед вами звездное скопление скопления NGC 3766. Чем дальше находится звезда, тем она тускнее: ее яркость падает по мере увеличения обратного расстояния в квадрате (
Парадокс Ольберса
Но общее число звезд, которые можно увидеть на определенном расстоянии, связано с площадью поверхности сферы, которая увеличивается с увеличением расстояния в квадрате. Умножьте количество звезд на яркость каждой звезды, и вы получите постоянную величину. Но яркость на некотором расстоянии – это особая величина: назовем ее Б. Но что получается: если звезда находится в два раза дальше, то это тоже яркость Б. В три раза? Все Еще Б. В четыре? И снова Б. Если сложить все Б вместе, то получим Б + Б + Б + Б + ….. и так далее. Ответ, как это водится, лежит в направлении бесконечности.
Немецкий астроном, физик и врач Генрих Ольберс еще в XIX веке использовал эту линию рассуждений, которая привела его к выводу о том, что наблюдаемая Вселенная не может быть бесконечной. Однако уверенным в этом на все он не был. В конце концов, существовали и другие астрономические проблемы. Одно из распространенных возражений состояло в том, что этот наивный анализ не принимал во внимание всю светонепроницаемую пыль, которую можно увидеть, просто взглянув на плоскость Млечного Пути. Даже сегодня, как пишет Forbes, многие из самых известных астрономических достопримечательностей заполнены свето-блокирующей пылью.
Парадокс Ольберса выглядит так
Темные, пыльные молекулярные облака, подобные тому, что находятся в пределах Млечного Пути, со временем разрушатся и дают начало новым звездам, причем в самых плотных областях формируются самые массивные звезды. Но звездный свет не может пробиться сквозь пыль – он поглощается ею. В конечной Вселенной эта пыль может соперничать со звездным светом, поскольку видимый свет, попадающий в пыль, поглощается и вновь излучается при более низких энергиях. Но если бы Вселенная действительно была бесконечной, то проблема парадокса Олберса обнаружилась бы для каждой пылинки: каждая пылинка должна была бы поглощать бесконечное количество звездного света, пока она тоже не излучала бы при той же температуре весь поглощаемый ею свет!
Чтобы всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram
Другими словами, что-то было не так. Наша Вселенная не может быть статичной, бесконечной и наполненной вечно сияющими звездами. Если бы это было так, то ночное небо было бы ярким, во всех местах и во всех направлениях. Очевидно, здесь есть что-то еще. С нашей точки зрения, наблюдаемая Вселенная может составлять 46 миллиардов световых лет во всех направлениях но есть, конечно, еще одна, ненаблюдаемая Вселенная, возможно, даже их бесконечное количество, о чем подробнее можно прочитать в этой статье.
Вселенная может быть бесконечна, но мы видим лишь свет, что путешествовал на протяжении 13,8 миллиардов лет: именно столько времени прошло после Большого Взрыва. В конечном итоге, сама природа Вселенной — расширяющаяся, развивающаяся и имеющей начало – является причиной того, что мы не видим света вокруг себя, а ночное небо кажется темным.