Цвет неба на других планетах (дискуссия к теме наука-фантастике, факты)

[Даша]

в случае с пылью цвет неба определяется цветом самой пыли? А как же рассеяние?

То рассеяние, о котором раньше шла речь, и благодаря которому в нашем небе рассеивается коротковолновая часть спектра, происходит на отдельных атомах и молекулах. Оно называется рассеянием Рэлея и объясняется дипольным моментом атома или молекулы. Для пыли оно, конечно, неприменимо, так как размер пылинок сравнительно большой.
 
И, как мне кажется, там происходит следующее. Почему, допустим, камень имеет определенный цвет? Потому что он поглощает некую часть спектра, а какую-то отражает, и это отраженное мы видим как цвет. Вот и частицы пыли, взвешенные в воздухе, тоже отражают определенный цвет, который мы видим. И он, что вполне логично, совпадает с цветом того вещества, из которого состоит пыль.

[Татьяна Леус]

Так, а красный цвет неба на закате - тоже результат релеевского рассеяния? Или серый - в пасмурный день?

[Даша]

Падающая Звезда, именно так. В первом случае свет проходит очень большой путь в атмосфере, поэтому интенсивно рассеянная коротковолновая часть просто до нас не доходит, она покидает атмосферу, пока свет идет по касательной...
У меня где-то была картинка, наглядно этот процесс иллюстрирующая, но сейчас что-то не могу найти.
 
А в пасмурный день из-за паров воды (частиц разного размера, но все равно маленьких) происходит расеяние всех участков спектра, и, складываясь, они дают белый (либо серый, когда белый темнеет из-за поглощения).

[Татьяна Леус]

первом случае свет проходит очень большой путь в атмосфере, поэтому интенсивно рассеянная коротковолновая часть просто до нас не доходит, она покидает атмосферу, пока свет идет по касательной...

Так-так -так! Очень любопытно! Это получается, допустим, если у меня планета с плотной атмосферой или атмосферой, которая гораздо толще (или как это правильно сказать? выше?) земной, то небо может быть красным без всяких там дополнительных включений? И наоборот, если атмосфера тонкая, то небо будет фиолетовым?
 
Картинку надо найти и предъявить для наглаядности!

[MacReady]

Падающая Звезда, для наглядности достаточно взглянуть на земное небо, цвет его не одинаков в зените и у горизонта, это происходит как раз из-за того что слой атмосферы в зените значительно меньше чем у горизонта. Поэтому и небесные объекты, например Луна у горизонта приобретает красноватый оттенок)

[Даша]

MacREADY, думаю, Падающая Звезда имела в виду наглядность физического процесса, а не самого явления
В общем, я не нашла эту картинку, хотя четко помню, что где-то она была. Поэтому нарисовала быстренько в фотошопе
 

 
суть поясняю. Красные стрелки длиннее синих (из-за того, что красный рассеивается хуже). С каждым рассеянием теряется часть интенсивности, так как одна стрелка "делится" на несколько... А некоторые стрелки вообще рискуют покинуть атмосферу.
Поэтому прямо под Солнцем, конечно, в небе больше синих стрелок (красные там просто редко рассеиваются и в основном "проходят сквозь"). Зато вдалеке, куда свету через атмосферу идти долго, синие стрелки почти не доходят (по вышеуказанным причинам), а красные как раз сколько-нибудь рассеются, компенсируя редкость рассеяния пройденным расстоянием. Поэтому вдалеке больше красных стрелок.
Ну а желтый, зеленый и остальные, соответственно, занимают промежуточное положение.

Это получается, допустим, если у меня планета с плотной атмосферой или атмосферой, которая гораздо толще (или как это правильно сказать? выше?) земной, то небо может быть красным без всяких там дополнительных включений? И наоборот, если атмосфера тонкая, то небо будет фиолетовым?

"Толще" - так говорят. Красным небо в таком случае быть может, но не совсем красным, так как все-таки лучи днем падают прямо, поэтому синий тоже будет присутствовать в нормальном количестве, только плюс к нему еще и красный будет. (Сразу предупрежу, фиолетового в этом случае - красный + синий - не получится)
 
А насчет фиолетового неба при тонкой атмосфере даже не знаю. Просто на его количество самым прямым образом влияет уже другой фактор, поглощение. Через него можно управлять.

[Татьяна Леус]

Сразу предупрежу, фиолетового в этом случае - красный + синий - не получится

Так, а какой же это цвет тогда будет? Не вперемешку ведь? Сиреневый? Пурпурный? А как остальные, промежуточные при этом? То есть, если есть синий и красный, то должны быть и зелёный, и жёлый. Так какого цвета небо мы получим?

А насчет фиолетового неба при тонкой атмосфере даже не знаю. Просто на его количество самым прямым образом влияет уже другой фактор, поглощение. Через него можно управлять.

А нет ли для этих процессов ещё таких факторов как скорость? Скорость поглощения и скорость рассеяния? И если есть, то какая выше?

[Даша]

Так какого цвета небо мы получим?

Белый будет. Когда все цвета спектра примерно в равной степени смешиваются, именно он и получается..

А нет ли для этих процессов ещё таких факторов как скорость? Скорость поглощения и скорость рассеяния?

То есть чтобы при некоторой толщине атмосферы свет определенной длины волны успел достаточно рассеяться, но не сильно поглотиться? Возможно, вполне. Скоростью это, конечно, назвать некорректно, потому что тут играют роль скорее такие параметры как сечение рассеяние (вероятность) и интенсивность поглощения, зависящая от содержащихся в атмосфере веществ...

[Татьяна Леус]

То есть чтобы при некоторой толщине атмосферы свет определенной длины волны успел достаточно рассеяться, но не сильно поглотиться? Возможно, вполне.

Ну да. Я имею в виду: вот если, допустим, фиолетовый рассеивается быстрее, чем поглощается, а атмосфера тонкая, то небо как раз должно быть фиолетовым. А есть ли какой шанс узнать, так ли это (за эталон приняв опять состав земной атмосферы)?

Белый будет. Когда все цвета спектра примерно в равной степени смешиваются, именно он и получается.

Ага. А если в качестве звезды мы при этом имеем красный карлик, то небо будет жёлтым - или желтоватым?

[Даша]

Ну да. Я имею в виду: вот если, допустим, фиолетовый рассеивается быстрее, чем поглощается, а атмосфера тонкая, то небо как раз должно быть фиолетовым.

Может быть, так оно и будет, но, вероятно, при этом в атмосферу будут проникать большое количество ультрафиолетовых лучей, которые на живые организмы влияют не лучшим образом...

А есть ли какой шанс узнать, так ли это (за эталон приняв опять состав земной атмосферы)?

Для этого нужно анализировать спектры поглощения различных газов... Честно, я не специалист в этой области, и вообще это скорее химия, чем физика. Но шанс узнать есть
Может быть, существуют такие вещества, которые поглощали бы губительный ультрафиолет и оставляли бы его достаточное количество в видимом диапазоне.

А если в качестве звезды мы при этом имеем красный карлик, то небо будет жёлтым - или желтоватым?

Скорее всего, если атмосфера толстая, рассеивает в равной степени все длины волн (как это, например, в пасмурную погоду происходит - ситуация аналогична), то несмотря на максимум излучения в красной длине волны днем небо все равно будет белым. Вероятно, немного "теплее", чем наше. А ближе к вечеру или утром, конечно, может быть и желтым, и оранжевым, и красным.

[Татьяна Леус]

как это, например, в пасмурную погоду происходит

Ну, в пасмурную-то погоду там вода. А атмосфера-то может быть разной толщины. Не может же быть так, что вот до такой-то толщины она рассеивает только короткие волны, а после такой-то - сразу всё. А промежуточные стадии где?

[Даша]

Ну, в пасмурную-то погоду там вода. А атмосфера-то может быть разной толщины. Не может же быть так, что вот до такой-то толщины она рассеивает только короткие волны, а после такой-то - сразу всё. А промежуточные стадии где?

Да нет, про пасмурную погоду - это просто аналогия, то есть в этой ситуации также просходит рассеяние всех длин волн, и получается в итоге белый свет. Это просто как пример того, что получается
 
А насчет толщины атмосферы тут на самом деле пока только мои догадки, так что, возможно, они ошибочны.. Промежуточные стадии, конечно, есть. То есть, увеличивая толщину атмосферы, мы видим, как небо из чисто синего, даже сине-фиолетового (холодного), будет становиться бело-серым (так как с толщиной атмосферы поглощение тоже увеличиваться будет, и общая интенсивность света будет снижаться).

[Татьяна Леус]

Но у вас опять получается, что рассеивается либо всё, либо только сине-фиолетовый. А если рассеивается синий, зелёный и часть жёлтого, к примеру? Разве так быть не может?
Или там с увеличением толщины атмосферы получается переход фиолетовый-синий-зелёный-желтый-красный-белый?

[Даша]

А если рассеивается синий, зелёный и часть жёлтого, к примеру? Разве так быть не может?

Может, но просто другие цвета рассеиваться тоже будут, а разница в интенсивности рассеяния желтого и красного, скажем, уже небольшая. Достаточно посмотреть на график (для земной атмосферы)
 

 
То есть если хорошо рассеивается не только синий, но и желтый, то интенсивность для оранжевого и красного будет не намного меньше.
 
Но в какой-то степени, конечно, возможна ситуация, когда рассеянный свет неба будет приходиться на синий и зеленый.

Или там с увеличением толщины атмосферы получается переход фиолетовый-синий-зелёный-желтый-красный-белый?

Нет. Белый не становится после красного. Просто в процессе складывания все большего диапазона длин волн наш глаз перестат выделять какой-то конкретный цвет. И если от полного видимого спектра каким-то образом отнять, скажем, красный, он не сильно изменится, хотя некоторый оттенок появится. Для атмосферы, думаю, это все-таки будет синеватый, так как его существенно больше остальных, но не чистый. То есть это все равно будет ближе к серому в итоге.
 
Так что чисто желтое небо можно получить, лишь изменив каким-либо образом спектр поглощения.

[Татьяна Леус]

Integral, я вас в лицо не узнала. График классный. Короче понятно: чтобы убрать синий, звёзды должны быть красными карликами. А чего? У зелёного тоже вполне приличная растяжка. Как минимум, сине-зелёный получить вполне реально.

[Даша]

Падающая Звезда,

оффтоп

да, я теперь так буду

Скрыть

чтобы убрать синий, звёзды должны быть красными карликами.

Совсем его убрать, конечно, не получится... Но в какой-то степени да.

У зелёного тоже вполне приличная растяжка. Как минимум, сине-зелёный получить вполне реально.

Конечно! Даже у нас иногда в туман можно заметить примеси зеленого. Так что небольшие вариации в цвете возможны. А вот получить оранжевое небо, наверное, только изменением состава атмосферы можно.

[Татьяна Леус]

Что-то у меня по этой схеме получается "оранжевое небо". Открыла я фотошоп и попыталась смешать в процентном отношении цвета, как указано. Наше небо, как можно видеть, вполне себе получилось. Тогда я взяла графики излучения звёзд и сравнила. У Солнца синего, зелёного и красного излучается почти одинаково. Прекрасно. Смотрю графики М-звёзд. Красного по сравнению с зелёным больше в 2-4 раза. Синего - меньше в 1,5-2 раза. Значит, нужно соответственно подкорректировать количество цвета в атмосфере. Подкорректировала... И как с этим жить?
Зелёный при таком раскладе не получается вообще.

[Даша]

Падающая Звезда, извиняюсь, что надолго пропала... Сессия берет свое
 
По поводу цветов: почти точно уверена, что результат смешивание красок в фотошопе будет отличаться от сложение цветов спектра... И потом, синего в небе вряд может получиться так мало. Все-таки рассеивается он очень хорошо, даже если и излучается в не таких больших количествах.
 

оффтоп

А вообще да, мне тоже будет интересно, если сюда зайдет знающий человек и со всем этим разберется

Скрыть

[Татьяна Леус]

По поводу цветов: почти точно уверена, что результат смешивание красок в фотошопе будет отличаться от сложение цветов спектра...

На основании чего? Тип смешивания я применила тот же самый, что в природе. И потом, сначала я попыталась воссоздать наше небо, что у меня, как видите, получилось. И как бы хорошо синий не рассеивался, если его на порядок меньше, чем красного, откуда ему взяться в большом количестве?
Мне самой жёлтое небо сейчас никаким боком не подходит, но это - факты.
Я не говорю, что там вообще не будет погрешности, но вряд ли она будет настолько велика, чтобы синий стал красным.

[Даша]

Падающая Звезда, я не художник Так что точно сказать, что получится при смешивании определенных цветов, не могу...

И как бы хорошо синий не рассеивался, если его на порядок меньше, чем красного, откуда ему взяться в большом количестве?

Так ведь небо же приобретает цвет рассеянного света. Красный, желтый, оранжевый могут там появиться, как мы уже обсудили, при достаточной толщине и составе атмосферы. А уж

чтобы синий стал красным

и вовсе надо, чтобы остальные цвета в излучении звезды практически отсутствовали, так как рассеиваются они значительно лучше красного и будут-таки вносить свой вклад.
Так что, как мне кажется, зеленое небо еще может быть, а желтое... Разве что благодаря какой-нибудь пыли.

[Татьяна Леус]

Integral, вы же сами приводили график. Так давайте говорить о фактах. Отложите на своём графике в 4 раза больше красного и в 2 раза меньше синего и посмотрите, какой он приобретёт вид.

я не художник Так что точно сказать, что получится при смешивании определенных цветов, не могу...

А это не художественное смешение цветов. Именно потому я воспользовалась фотошопом.

и вовсе надо, чтобы остальные цвета в излучении звезды практически отсутствовали

Я же вам показывала график. Они там действительно практически отсутствуют.

[Татьяна Леус]

Я провела ещё один эксперимент. Вверху (см. вложение) растянутый график излучения нашего Солнца, следующие два - излучения звезды М-спектра. Чёрным, белым и жёлтым отложено количество излучения для синего, зелёного и красного. Увеличенные диаграммы представлены в правом нижнем углу. На них видно, что в солнечном спектре излучение этих цветов практически одинаковое. В то время как у М-звезды (белые и жёлтые диаграммы) красного больше в несколько раз по сравнению с синим и зелёным. На графике релеевского рассеяния сделана соответствующая коррекция уровней и получен новый график - белая линия. Если к этому добавить, что зелёные и красные волны воспринимаются человеческим глазом в 2 раза лучше, чем синие, то никуда нам не деться с подводной лодки.
Восприятие глазом человека волн разной длины:

[Даша]

Отложите на своём графике в 4 раза больше красного и в 2 раза меньше синего и посмотрите, какой он приобретёт вид.

На графике рассеяния? Но ведь тогда это будет уже совсем не земная атмосфера.
Что-то я уже совсем запуталась, о какой планете и какой звезде мы сейчас говорим.

А это не художественное смешение цветов. Именно потому я воспользовалась фотошопом.

А фотошоп их смешивает не художественно? Просто я не настолько его знаю, но вроде там краски смешиваются так же, как в настоящей палитре..

Я же вам показывала график. Они там действительно практически отсутствуют.

Такого не может быть.
 
Однако утверждать это голословно мне больше не хочется... Берем тепловое излучение звезды. Максимум его - красный, 0,65 мкм. Хорошо. Согласно закону смещения Вина оцениваем среднюю температуру излучателя: 4460 К. Берем формулу Планка, вот эту
 
, подставляем туда найденную температуру. Далее, подставляем туда длину волны красного цвета, получаем 9*10^13 (значения оценочные, для сравнения, поэтому сама по себе большая цифра пусть не пугает). Подставляем длину волны синего цвета, получаем 6*10^13. Как видно, ни о каком различии "на порядок" речи быть не может.
 
Если надо или интересно, могу построить график конкретно для этой температуры. А вообще есть вот это: (примеры для разных температур)
 

 
Вывод такой: для звезды, максимум излучения которой приходится на красный, различие в интенсивности излучения для разных длин волн не такое сильное, как, скажем, для нашего Солнца ( Т= 6000 К) - максимум не настолько узкий и яркий.

[Татьяна Леус]

О, пошли цифры.
Только средняя температура излучателя в нашем случае никак не 4460. Для звёзд посчитаны температуры, и звезда класса М1 имеет температуру 3600К, а М5 - 3100К. Для этих звёзд существуют графики спектров излучения. Чуть позже я произведу математические вычисления и представлю.

для звезды, максимум излучения которой приходится на красный, различие в интенсивности излучения для разных длин волн не такое сильное, как, скажем, для нашего Солнца ( Т= 6000 К) - максимум не настолько узкий и яркий

Это о чём говорит?

А фотошоп их смешивает не художественно?

Нет, там есть разные типы смешивания. Как я уже говорила,

Тип смешивания я применила тот же самый, что в природе

Это значит, что я применила аддитивное смешение цветов, то самое, когда при смешивании красного, синего и зелёного в равных пропорциях получается белый.

Такого не может быть.

Значит, график врёт? Чуть позже я напишу всё это в числах.

На графике рассеяния? Но ведь тогда это будет уже совсем не земная атмосфера.

Возьмите их как коэффициенты. Ведь этот график всего лишь говорит о том, что синего в нашей атмосфере рассеивается 17%, зелёного 10%, а красного 5%, не так ли? Если при этом их попадает в атмосферу одинаковое количество, то и имеем мы 17-10-5. А если красного у нас в 4 раза больше? Вот и получится 20 против 17-ти.

[Татьяна Леус]

Это просто очаровательно. Теперь у меня получилось сиреневое небо.
Я нашла вот этот милый график

и посчитала по нему количество излучения с длиной волн 450, 520 и 650. Вышло 30, 40 и 75 соответственно. После учёта процентов терраген мне нарисовал вот такое небо (вложение). За время дискуссии я получила небо следующих цветов: оливковое, оранжевое, розовое, цвета молочного шоколада и теперь вот сиреневое. Я больше не знаю, как выглядит у меня планета!
Однако эта диаграмма - идеальная модель. В реальности она не будет ровной, это можно было бы не учитывать, если бы цифры были большими. Но здесь разница будет заметна.