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

[nabbla]

Это очень быстро: вот доработанная программка.
 
Насчет того, какой именно спектр доходит до Земли - все зависит от свойства поверхности. Если она зеркальная, как та же вода, то в ней отразится небо и отдельно Солнце. Хотим узнать, как выглядит небо - берем "результирующий спектр". Как в воде выглядит солнце - берем "спектр звезды". А вот если поверхность матовая, то их надо сложить друг с другом с какими-то весами, зависящими от погоды: зашло ли Солнце за тучку, загораживает ли его что-нибудь и пр.

[Татьяна Леус]

Это очень быстро: вот доработанная программка.

Спасибо!

Насчет того, какой именно спектр доходит до Земли - все зависит от свойства поверхности. Если она зеркальная, как та же вода, то в ней отразится небо и отдельно Солнце. Хотим узнать, как выглядит небо - берем "результирующий спектр". Как в воде выглядит солнце - берем "спектр звезды". А вот если поверхность матовая, то их надо сложить друг с другом с какими-то весами, зависящими от погоды: зашло ли Солнце за тучку, загораживает ли его что-нибудь и пр.

Вот тут я чего-то запуталась. Ну не будет же вода просто цвета неба? Особенно если речь идёт о воде в толще, т.е. о цвете океана?

[nabbla]

Речь просто о том, какой из спектров выбрать для дальнейшей "обработки". Хотя, увы, и здесь все не так просто. Видимо, отдельно надо рассматривать отражение от воды, а отдельно ее "внутреннее свечение" - когда свет и от Солнца и от неба проник в толщу воды и частично отразился обратно, но уже действительно другого цвета.

[Татьяна Леус]

Насчёт дальшейшей обработки я тоже не совсем поняла. Результирующий спектр - это ведь то, что прошло через атмосферу? Значит, если я хочу узнать, как выглядит лист в погожий день (облака пока оставим в стороне), я должна взять результирующий спектр и наложить спектр хлорофилла. Так? То есть. для последующей обработки, если у нас планета с атмосферой, брать надо как раз результирующий спектр, как я понимаю. Или нет?
 
Вот этого момента я совсем не поняла:

Хотим узнать, как выглядит небо - берем "результирующий спектр". Как в воде выглядит солнце - берем "спектр звезды".

[nabbla]

Часть света проходит через атмосферу напрямую и падает параллельными пучками - это прямые солнечные лучи. Если мы на них посмотрим, в глазу они сфокусируются в узкий кружок - изображение Солнца. Спектр этих прямых лучей пока в моей программе не считается: для этого недостаточно знания, что рассеяние обратно пропорционально четвертой степени длины волны, нужно знать еще величину этого рассеяния. А она зависит от плотности атмосферы, ее протяженности, от газового состава, в конце концов, от угла падения: в зените Солнце желтое, при закате - красное.
 
Часть света рассеивается в атмосфере и затем примерно половина уходит наружу, в космос, а другая половина - падает на землю, но уже не параллельными пучками, а со всех направлений. Когда мы смотрим на все эти лучи, они никуда не фокусируются, "ложатся на сетчатку ровным слоем" и воспринимаются как голубое небо. Именно спектр этого излучения назван результирующим. Ведь вообще вся тема называется "цвет неба на других планетах", поэтому я и счел данный спектр "результирующим", ведь он однозначно определяет цвет.
 
В общем случае, если мы хотим реалистично изобразить какие-то предметы, надо рассмотреть оба источника света, отследить направление каждого лучика. Но это в общем случае. В каждом конкретном задачу можно существенно упростить.
 
Мы знаем, что листья являются матовыми, они не дают каких-то бликов. С точки зрения оптики, это означает: они собирают весь падающий на них свет, что-то поглощают, а все остальное переотражают во все направления по Ламбертовскому закону (~cos(phi)). Значит, достаточно один раз посчитать, сколько всего на них упало света и какого спектра, потом помножить на спектр отражения - и мы получим, какого цвета листья. А о цвете здесь вполне можно сказать: с какой стороны не посмотри на листья, они будут выглядеть одинаково зелеными.
 
С водой все сложнее: часть света она отражает, часть пропускает, еще одну часть поглощает. Причем, если вода чистая, не мутная, то отражение будет направленным, по закону "угол падения равен углу отражения". Если волн нет, в воде будет отражаться небо и Солнце, но к этому отражению прибавится еще свет, который первоначально прошел вглубь, а потом частично рассеялся наружу.

Хотим узнать, как выглядит небо - берем "результирующий спектр". Как в воде выглядит солнце - берем "спектр звезды".

Я о том и говорил, что у нас не будет одного-единственного цвета воды. Будет по кр. мере две компоненты - отраженное небо (с примесью рассеянного света с глубины) и отраженное солнце, иногда прям в виде диска, иногда - в виде отдельных искрящихся бликов.

[Татьяна Леус]

Мы знаем, что листья являются матовыми, они не дают каких-то бликов. С точки зрения оптики, это означает: они собирают весь падающий на них свет, что-то поглощают, а все остальное переотражают во все направления по Ламбертовскому закону (~cos(phi)). Значит, достаточно один раз посчитать, сколько всего на них упало света и какого спектра, потом помножить на спектр отражения - и мы получим, какого цвета листья. А о цвете здесь вполне можно сказать: с какой стороны не посмотри на листья, они будут выглядеть одинаково зелеными.

То есть, чтобы смоделировать цвет листвы, мне нужно учесть 4 группы данных: какой спектр хлорофилл поглощает из неба, какой спектр поглощает из солнца и какой отражает в обоих случаях?

С водой все сложнее: часть света она отражает, часть пропускает, еще одну часть поглощает. Причем, если вода чистая, не мутная, то отражение будет направленным, по закону "угол падения равен углу отражения". Если волн нет, в воде будет отражаться небо и Солнце, но к этому отражению прибавится еще свет, который первоначально прошел вглубь, а потом частично рассеялся наружу.

Как я понимаю, моделирование океана с орбиты и моделирование воды с поверхности планеты будет при этом отличаться?
 
 
Кстати, хотела узнать: чем отличается коэффициент отражения от спектра отражения?

[nabbla]

Для растений надо найти спектр суммарного излучения (прямой солн. свет + рассеянный), помножить на спектр отражения - и получим цвет, т.е матовость листьев все упрощает. Раз они матовые, значит "теряют информацию" - им плевать, откуда пришел свет и с какого направления сколько его пришло, главное, суммарный поток и спектр.

Как я понимаю, моделирование океана с орбиты и моделирование воды с поверхности планеты будет при этом отличаться?

Методы те же самые, а параметры другие, разумеется.

Кстати, хотела узнать: чем отличается коэффициент отражения от спектра отражения?

Наверное, я здесь напутал с терминологией. Я так это понимал:
 
Коэффициент отражения - это одно число, от 0 до 1. Или для монохроматического излучения определенной длины волны, или по мощности (отношение падающей мощности к отраженной), или по световому потоку (тоже мощность, но отнормированная по чувствительности глаза, в общем, люмены, канделы, люксы и пр.).
 
Спектр отражения - это зависимость коэф. отражения от длины волны, т.е целый график.
 
Но сейчас мне кажется, что его правда не стоит называть спектром, лучше просто коэф. отражения. Чтобы не перепутать со спектром отраженного света.

[Татьяна Леус]

(прямой солн. свет

То есть, это цвет звезды в атмосфере, который программа пока не показывает?

помножить на спектр отражения

В качестве него в данном случае (для матовых объектов) можно использовать перевёрнутый спектр поглощения?

Наверное, я здесь напутал с терминологией.

Ой, я хотела сказать коэффициент поглощения! На сайте, который я давала в качестве ссылок на спектры поглощения разных веществ, есть спектры для воды. Так вот там есть моменты переходов, диаграмма интенсивностей, коэффициент поглощения, спектр поглощения, спектр пропускания и спектр излучения. Вот я сижу и думаю, что с этим делать.

[nabbla]

То есть, это цвет звезды в атмосфере, который программа пока не показывает?

Да, он самый

В качестве него в данном случае (для матовых объектов) можно использовать перевёрнутый спектр поглощения?

Можно. Для матовых, непрозрачных объектов - можно.

Ой, я хотела сказать коэффициент поглощения!

Я посмотрел на том сайте, вот здесь даются определения.
 
По ним, коэф. поглощения стоит в экспоненте и имеет размерность см^(-1), т.е обратная ему величина - это характерная длина, пройдя которую через вещество, свет данной длины волны ослабится в e раз.
 
А спектр поглощения рассчитывается уже для заданной длины, которую проходит свет, он имеет размерность "разы": 0 - поглощения нет, 1 - свет поглотился полностью.

[nabbla]

Вот доработанная версия ImageGraph2Txt: она поддерживает файлы gif, jpeg, png, tiff и кучу других форматов. А в остальном, то же самое. Скоро к другим своим прогам тоже прикручу, а то это как-то даже невежливо, когда исключительно bmp...
 
добавлено через 19 часов 54 минуты
Upd: новая версия AddSpectrum2Pic. Там теперь еще можно копировать изображения из буфера обмена. Причем график из Excel или Word, если нажать ctrl-C, тоже скопируется, что довольно удобно.
 
Недавно заметил: загружать они загружают что угодно, а вот сохранять не умеют пока. Надо будет еще поковыряться.
 
Если в программах обнаружатся какие-то глюки, расскажите мне пожалуйста, желательно поподробнее.

[nabbla]

Новая программка - DrawSpectrum. Строит спектральные полосы из табличных данных, что-то в этом роде. Скачать ее можно здесь.
 
Наконец-то дописал библиотеку для работы с табличными функциями, теперь она не просто записывает значения X-Y, но и прочую информацию: порядок интерполяции (0 - просто ступеньки, 1 - соединяет прямыми линиями, 3 - кубическая сплайн-интерполяция), название графика, подписи к осям, подробное описание в виде текста. Файлы старого образца поддерживаются как ни в чем не бывало.
 
Вот ImageGraph2Text с новой библиотекой. Меня больше всего бесило, что он не сохранял в файл порядок интерполяции, по умолчанию всегда выбиралось 3. Теперь - сохраняет. И все остальное можно задать.
 
И еще слегка доработанный xenosky - с этой новой библиотекой и с построением спектральных линий.
 
Теперь обновлений не будет довольно долго - мне по работе нужно сделать немножко другое.

оффтоп

посчитать величину паразитной засветки объектива системы лазерной связи светом луны, венеры и других планет, притом, что на входе стоит светофильтр на 800 нм (с шириной полосы около 15 нм). В общем-то задача похожа: надо взять спектр излучения Солнца, помножить на альбедо планеты (это тоже фунция, зависящая от длины волны), а потом главное отнормировать по интегральным характеристикам.

Скрыть

[Татьяна Леус]

Новая программка - DrawSpectrum. Строит спектральные полосы из табличных данных, что-то в этом роде. Скачать ее можно здесь.

А можно наоборот из спектральных полос строить график? Я почему спрашиваю - иногда спектры рисуют в таком виде, и найти табличные данные или графики возможным не представляется. Так вот если программа может из графика построить спектральные линии, значит, она может и наоборот?

[nabbla]

А можно примеры выложить? Там это в цвете или просто черно-белые полосы, отмечена ли где-нибудь длина волны? Думаю, что смогу сделать.

[Татьяна Леус]

Там это в цвете, точно как у вас на растяжках.

[nabbla]

Картинку покажите, пожалуйста, чтобы я знал, с чем имею дело. Если там отмечены длины волн, то все просто. Если нет и ему надо ориентироваться прямо по цвету - это сложнее, хотя все равно получится. А то сделаю сейчас (ну, через пару дней) по своему разумению, а оно возьмет и не заработает...

[Татьяна Леус]

nabbla, с картинками какой-то закон подлости. Когда искала графики, всё время попадались, так я их не сохраняла. А тут стала эти картинки искать, и всё ерунда какая-то попадается. Но вот кое-что таки понаходила:
http://edu.zelenogorsk.ru/projs/eko/kamny/drago/i_32.jpg
http://patlah.ru/etm/etm-01/teh%20reklama/elektro-reklama/lazer_shoy/l-shoy02-18.png (Страница http://patlah.ru/etm/etm-01/teh%20reklama/elektro-reklama/lazer_shoy/lazer_shoy-02a.htm)
http://dic.academic.ru/dic.nsf/brokgauz_efron/141061/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9
http://space-horizon.ru/images/stars_spectr_1.jpg

[Татьяна Леус]

А вот интересно, возможно ли при том, что в зените небо красное, на горизонте во время заката оно было голубым?

[Роман77]

Падающая Звезда,
Возможно, в системе двойной звезды комбинаций масса может быть . . .

[Татьяна Леус]

Вообще я имела в виду систему с одной звездой (по умолчанию). Хотя насчёт двойной системы в данном случае у меня такие же сомнгения. Подождём, что скажет nabbla...

[Роман77]

Иллюстрация к книге " Космос" К. Сагана
 

 
Приблизительно так , если атмосферу добавить и взаиморасположение поменять

[Татьяна Леус]

Роман77, если добавить атмосферу, всё может оказаться совсем другим.

[Роман77]

Падающая Звезда,
Ну по крайней мере самое близкое
 
Хотя вот еще
 
http://www.nasaimages.org/luna/servlet/detail/nasaNAS~20~20~120513~227215:Close-Up-of-Sol-24-Sunset?qvq=w4s:/what/Mars;q:Sun%2BOR%2BMercury%2BOR%2BVenus%2BOR%2BMars%2BOR%2BJupiter%2BOR%2BSaturn%2BOr%2BUranus%2BOR%2BNeptune%2BOR%2BPluto;lc:NVA2~25~25,NVA2~57~57,NVA2~31~31,NVA2~60~60,NVA2~33~33,NVA2~26~26,NVA2~36~36,NVA2~62~62,NVA2~56~56,NVA2~55~55,NVA2~54~54,NVA2~45~45,NVA2~35~35,NVA2~53~53,NVA2~29~29,NVA2~27~27,NVA2~17~17,NVA2~46~46,NVA2~30~30,NVA2~44~44,NVA2~16~16,NVA2~47~47,NVA2~48~48,NVA2~61~61,NVA2~19~19,NVA2~52~52,NVA2~4~4,NVA2~1~1,nasaNAS~22~22,NVA2~20~20,nasaNAS~8~8,nasaNAS~10~10,NVA2~15~15,nasaNAS~13~13,nasaNAS~5~5,NVA2~18~18,NVA2~23~23,NVA2~8~8,nasaNAS~16~16,nasaNAS~2~2,NVA2~34~34,NVA2~14~14,nasaNAS~7~7,nasaNAS~6~6,NVA2~24~24,NVA2~13~13,nasaNAS~9~9,nasaNAS~4~4,NVA2~58~58,NSVS~3~3,NVA2~9~9,nasaNAS~20~20,nasaNAS~12~12,NVA2~21~21,NVA2~22~22,NVA2~49~49,NVA2~50~50,NVA2~51~51,NVA2~28~28,NVA2~43~43,NVA2~38~38,NVA2~32~32,NVA2~37~37,NVA2~39~39,NVA2~41~41,NVA2~42~42,NVA2~59~59&mi=220&trs=10567
 
Марсианский закат

[Татьяна Леус]

Любопытная фотография. Интересно, почему так?
 
 
nabbla, срочно нужны ваши пояснения!!!

[nabbla]

Видимо, это особенность Марса - очень разреженная атмосфера, в которой дуют ветры со скоростью близкой к скорости звука, поднимая пыльные бури.
 
На Земле лучи Солнца, пройдя сквозь толщу атмосферы почти параллельно поверхности, успевают уже растерять весь синий цвет на том участке, что уже скрылся за горизонтом, а до нас доходят красные лучи самого Солнца, частично рассеяные атмосферой (потому тоже багряной). А сверху, в зените, небо более голубое, потому что те лучи солнца не проходили столь длинного пути и сохранили синие лучи.
 
А на Марсе синий цвет не успевает уйти - он рассеивается уже "перед нами", давая голубоватый закат. А наверху багряные оттенки из-за марсианской пыли.
 
Это довольно шаткое объяснение, конечно - так можно что угодно объяснить. Но не беспокойтесь - я уже занялся основательной доработкой программы, думаю представить довольно скоро бета-версию.

[Роман77]

nabbla,
 
А в системе двойной звезды небо каким будет если вместо планеты с картинки Земля ?