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

[nabbla]

Ну что ж, это наконец случилось: новая версия Xenosky, 0.31. Она еще сыровата, я туда включил далеко не все, что хотел, да и модель атмосферы оставляет желать лучшего, но уже какой-то прогресс. Для трех человеко-дней очень даже неплохо. Вот немного картинок для примера (кликните для увеличения):
 
Просто земное небо

 

 
Закат

 

 

 
Небо под звездой класса O



 
А здесь собственно архив с программой, там же лежит довольно подробный Readme.
 
По идее, можно и несколько солнц добавлять, но у меня пока получается что-то очень странное. Боюсь, эта модель атмосферы жестоко тупит в таких условиях. А там кто его знает - попробовать не мешает.
 
Upd. Здесь самая свежая версия, 0.33

[Татьяна Леус]

nabbla, у меня творится что-то странное.
Во-первых, когда я пытаюсь нарисовать закат и ставлю экспокоррекцию 4, небо, конечно, делается светлее, но солце белое, а не как у вас на рисунке, и при этом почему-то оно становится квадратным.
Во-вторых, когда я сравниваю небо, отрисованное в этой версии с небом в предыдущей, результаты часто получаются просто кардинально различные. Прикладываю снимки экрана.
1 - демонстрация того, что я писала про закат. Все параметры оставлены по умолчанию, кроме высоты солнца над горизонтом: выставлен угол в 30 градусов.
2, 3 и 4 - вместо спектра Солнца подставлены спектры других звёзд. Спектры были отрисованы в программе "image to graf txt". Графики 3 и 4 принадлежат реальным звёздам, график 2 (звезда класса М3) отрисован как средний между типичными М2 и М5 (мне нужна была типичная звезда класса М3, а не было...).
В этом всём меня смущает то, что с одной стороны, две версии программы для одной и той же звезды показывают совершенно разный результат, с другой - в то время как в одной программе у трёх звёзд имеются весьма заметные различия в цвете атмосферы, вторая версия программы показывает небо в трёх разных случаях практически идентичным. В качестве кривой пропускания был взят график вот из этого сообщения http://www.trekker.ru/forum/showpost.php?p=148394&postcount=70 (часть total absorbtion and skattering), отрисованный в той же программе.
5 и 6 - на самом деле, оба - наше Солнце. 5 был отрисован в программе с графика Солнца, 6 - в файл помещены уже имеющиеся численные данные по Солнцу.
2 - 6 все параметры оставлены по умолчанию, только облака убраны, чтобы видеть небо.
 
Я, безусловно, понимаю, что в новой версии есть растяжка по цвету. Мне кажутся странными принципиальные различия в цвете. В рисунке 5, например, всё понятно и вопросов нет. К рисунку 4 у меня тоже не было бы нареканий, там как раз оттенки близки, по крайней мере. они оба фиолетовые, если бы то же самое не получалось в случаях 2 и 3. Когда одна программа показывает желтоватый оттенок, а другая фиолетовый или одна зелёный, а другая - фиолетовый - вот это уже странно.
 
Кстати, насчёт параметра "Доля рассеянного света". Очень хорошо видна разница на звёздах поздних классов. когда я увеличиваю её в 10, небо. которое было сиреневым, приобретает оттенок розовато-коричневатый оттенок. Если увеличить до 0,5 - становится персиково-оранжевым.
А вот насчёт контраста? Если речь идёт о солнце, то ничего не меняется...
 
Другие проблемы
На вкладке "Графики" почему-то ничего не рисуется. Совсем-совсем...
Вопрос: параметр "затуманенность". Вот когда у меня всякую там пыль-грязь несёт, его следует увеличивать, я правильно понимаю?
Ещё вопрос: когда я для земного неба (по умолчанию) поставила затуманенность 64 (как я поняла из графика, это максимум, когда почти ничего не видно), небо почему-то стало ярко-зелёным.
Что демонстрируют графики во вкладке "параметры атмосферы"?






Eath Atmosphere.txt

[nabbla]

Насчет заката. 30 градусов - еще далеко не закат, а самый разгар дня. На наших широтах, да в зимнее время Солнце только в середине дня поднимается до 30 градусов (55град-23.5 и получаем около 30). Так что все правильно, что оно белое. Чтобы получить закат, надо опустить его до 10 градусов над горизонтом или еще ниже.
 
Чтобы оно не было квадратным, стоит развернуть программу во весь экран и перерисовать - в таком случае получается ровный круглый диск. Почему при малых размерах - квадрат - не знаю пока, надо копаться.
 
С одинаковыми цветами для разных спектр. классов, да отличающиеся от старой версии - вполне можно поверить. Все лгут, только по-разному. Старая не делала никаких различий между поглощением и рассеянием, считала, что все, что не доходит напрямую - рассеивается и именно этот рассеяный свет определяет цвет атмосферы. А ведь на том графике написано - total absorption and scattering. Для коротких волн это не суть важно - этот свет действительно рассеивается. Но на красной границе видимого спектра есть заметный пик поглощения водяными парами, именно поглощения. Поэтому данным старой программы не стоит полностью доверять. Правда, новая в этом плане не лучше. В ней очень хорошая модель земной атмосферы под нашим Солнцем. Чтобы она изображала атмосферу с другими параметрами под другими звездами, я редактировал некие средние значения яркости и цветности, относительно которых считается все остальное. Получилось что-то похожее, в том плане, что под синей звездой - более синяя и даже в фиолетовый уклон атмосфера, а под красной - желтоватая. Но утверждать, что это истинные цвета - не берусь.
 
6-я картинка - явная патология. Но я что-то не понял, куда именно были помещены численные данные по Солнцу?
 
С контрастом я тоже удивился, что нет особого эффекта. Похоже, влияние рассеяния на линзах преувеличили, а на самом деле работает дифракция, которая здесь считается очень грубо.
 
Графики у меня поначалу рисовались в отладочных целях - спектр солнца из космоса и у поверхности планеты. Когда стало возможно добавлять новые светила, я поленился сделать окошко выбора, график для какого именно показывать и перестал рисовать их вовсе - до лучших времен.
 
Насчет "затуманенности" - ее можно регулировать от 2 до 30 для данной модели. Все дело в том, что авторы аппроксимировали зависимость разных коэф. модели полиномами 3-й степени от "затуманенности", так чтобы они наиболее точно походили в расчетных точках, а считали они как раз от 2 до 30. На краях такую кубическую параболу "заносит" куда-то совсем не в ту степь. В следующей версии поставлю ограничение на этот параметр.
 
А в целом да, низкие значения - ясное небо, высокие - туман, пыль, дым, что угодно. Проще говоря, мелкие частицы в атмосфере, которые рассеивают почти одинаково все длины волн.
 
Графики справа в параметрах атмосферы показывают пропускание атмосферы (1 - полное пропускание, 0 - полное поглощение) при атмосферной массе 1 (m=1) и 2.
 
 
Ну, я сразу предупреждал, что программа сырая. Обещаю, в v 1.0 глюков не будет, строиться все будет по хорошей физической модели в фотореалистическом качестве. А будет это через пару лет

[Татьяна Леус]

Но на красной границе видимого спектра есть заметный пик поглощения водяными парами, именно поглощения

О, значит, там, где я пик нарисовала, надо было спад нарисовать? Тогда да, возможно...

В ней очень хорошая модель земной атмосферы под нашим Солнцем. Чтобы она изображала атмосферу с другими параметрами под другими звездами, я редактировал некие средние значения яркости и цветности, относительно которых считается все остальное. Получилось что-то похожее, в том плане, что под синей звездой - более синяя и даже в фиолетовый уклон атмосфера, а под красной - желтоватая. Но утверждать, что это истинные цвета - не берусь.

Я правильно понимаю, что если мне нужна атмосфера, как у земли, но под другим солнцем, то всё будет отображаться правильно?
Только вот я попробовала поиграться с изменением процентного состава воды и озона и... ничего. Я ставила изменение от 0 до 500% для Солнца и для звезды М3 - и даже оттенок не поменялся. Хотя графики изменения регистрируют. Кстати, а последний, третий спад на этих графиках - это от чего? Где-то на 760нм который.

6-я картинка - явная патология. Но я что-то не понял, куда именно были помещены численные данные по Солнцу?

Были взяты реальные данные по Солнцу и помещены в текстовый файл, как данные по всем другим звёздам. Файл прикладываю.

Графики у меня поначалу рисовались в отладочных целях - спектр солнца из космоса и у поверхности планеты. Когда стало возможно добавлять новые светила, я поленился сделать окошко выбора, график для какого именно показывать и перестал рисовать их вовсе - до лучших времен.

О, в идеале было бы здорово, если бы можно было получить графики для каждого светила в отдельности и для всех сразу!
Но если это трудоёмко, то очень-очень бы хотелось иметь график хотя бы по одному светилу. Пусть до наступления тех самых лучших времён строится график для первого светила, а? Это часто помогает. Когда непонятно, что происходит, я в них лезу. Вот сейчас я бы, допустим, чтобы понять, что там творится с небом, могла бы сравнить графики по первой и второй программе.

Получилось что-то похожее, в том плане, что под синей звездой - более синяя и даже в фиолетовый уклон атмосфера, а под красной - желтоватая.

У меня картина несколько иная... Я загружала данные для реальной звезды О5, для чёрного тела О6 из ваших данных и для АО из ваших данных. Во всех случаях получается, что небо под нашим солнцем выглядит более сиреневым, чем небо под синей звездой. А что вы имеете в виду, говоря, что под красной звездой - жёлтая? Это какой цвет имеется в виду? Вот на предыдущих снимках экрана вы видели небо от трёх красных звёзд: М3, М8 и М10. А небо сиреневое...
Sun.txt

[nabbla]

Я уже писал в readme жирным шрифтом, что сейчас параметры "количество водяных паров" и "количество озона" не влияют на цвет неба, только на цвет солнца - несовершенство модели.
 
Третий пик приходится на поглощение другими газами, его величина ничем не регулируется в данный момент, но это непринципиально - в этой области спектра глаз все равно почти ничего не видит.
 
Патологию на 6-й картинке я исправил, чуть с ума не сошел. Программа упорно считала что 382 не равно 382. Оказалось, что обычно-то я все считаю сразу в нанометрах, по целым значениям длин волн. А сейчас, поскольку часть формул для рассеяния и поглощения написаны для значений в микрометрах, стал считать в них и только под конец умножать на 1000. В итоге, 2 числа с плавающей точкой стали чуть-чуть отличаться, оба добавились в таблицу (обычно дублирующиеся значения выкидываются), программа попыталась посчитать наклон, получила 10^31, который при интегрировании привел к удивительным результатам. Сейчас после умножения на 1000 число округляется до целых - и все работает.
 
Построение графиков я добавил - они рисуются для светила, выделенного в списке слева сверху. Правда, добавить сохранение в файл уже поленился. Могу при желании, это недолго.
 
Да, мне казалось, что получается желтое небо, но вгляделся - это желтые облака на сиреневом небе. Похоже, крайности программе пока не даются. Как выдастся свободное время, подумаю, как лучше отнормировать по цвету и яркости.
 
Здесь еще чуть доработанная версия - 0.32

[Татьяна Леус]

Я уже писал в readme жирным шрифтом, что сейчас параметры "количество водяных паров" и "количество озона" не влияют на цвет неба, только на цвет солнца - несовершенство модели.

Ой, прошу пардона... Читала ведь...

Патологию на 6-й картинке я исправил, чуть с ума не сошел.

Спасибо, работает! С ума не надо

 

Построение графиков я добавил - они рисуются для светила, выделенного в списке слева сверху. Правда, добавить сохранение в файл уже поленился. Могу при желании, это недолго.

Спасибо! В принципе, сохранение не помешает, но это не к спеху.
Хотя вот сейчас в вопросе цвета неба, возможно, оно бы нам что-то прояснило лучше. Ну то есть, если я вдруг в графике чего не поняла.
 
 
В общем, я тут посмотрела графики. У меня два вопроса:
1 Графики "Спектр рассеянного света" в старой версии и "У поверхности" в новой версии - одно и то же или нет?
2 Я правильно понимаю, что основа модели атмосферы в новой версии программы - тоже релеевское рассеяние?

[elbetde12]

Видимо, это особенность Марса

Вот здесь интересная статья о цвете неба Марса, получается, что красный пейзаж - очередная фальсификация.

[Татьяна Леус]

Я тут придумала загрузить в программу спектр зелёного залера, который прилагался к предыдущим версиям. Так вот, зелёный лазер... тоже даёт голубое небо! Но так ведь быть не может?

[nabbla]

Создатели этой модели атмосферы не рассчитывали на то, что кто-то будет менять спектр Солнца. И уж точно не думали, что кто-то решит пальнуть по Земле зеленым лазером в 200 петаватт!
 
Пожалуй, сделаю в ближайшее время более физическую модель, где вычисляется только первичное рассеяние - это довольно просто.
 
График "у поверхности" - то, чего не хватало старой версии - спектр прямых солнечных лучей, дошедших до поверхности, т.е как раз цвет солнца, как он виден глазом.

[Татьяна Леус]

А что вычисляется в той модели, которая сейчас?
 
добавлено через 2 минуты

График "у поверхности" - то, чего не хватало старой версии - спектр прямых солнечных лучей, дошедших до поверхности, т.е как раз цвет солнца, как он виден глазом.

А, а "Спектр рассеянного света" - это цвет неба. То есть, вещи прямо протиповоложные. Я правильно понимаю?

[nabbla]

Создатели этой модели провели очень ресурсоемкое компьютерное моделирование прохождения света через атмосферу. Они учитывали все - уменьшение плотности атмосферы по мере увеличения высоты, поглощение озоновым слоем, Релеевское рассеяние на молекулах атмосферы и рассеяние Ми на крупных частичках (капли воды, пыль), вторичное рассеяние (когда рассеянный свет снова рассеивается в другом месте атмосферы) и рассеяние отраженного от Земли света.
 
А потом предложили приближенные формулы для яркости неба в конкретной точке небосвода (заданной азимутом и углом места) и его цвета (не в виде спектра, а в виде пары x,y, 0<x,y<1, см CIE1931). Для каждой компоненты задаются 5 коэффициентов, линейно зависящих от "затуманенности", а также значение яркости и цветности в зените.
 
Эти формулы я и применил. Но понятно, что раз здесь используются уже не спектры, а цвета, то для спектров, сильно отличающихся от солнечного могут получаться очень странные результаты.
 
Подробнее про эту модель есть статья по ссылке внизу на странице Readme.
 
"Спектр рассеянного света" - да, это цвет неба.

[Татьяна Леус]

Ох, да, тогда понятно.

не в виде спектра, а в виде пары x,y, 0<x,y<1, см CIE1931

А в спектр это никак нельзя перевести?
 
Может, можно, скажем, в тех формулах цвета взять в качестве коэффициентов и пропорционально пересчитать относительно других спектров?
 
добавлено через 19 минут
Кстати, вы изменили логотип в последней версии программы?

[nabbla]

Спектр - гораздо более емкое понятие, чем цвет. Наш глаз - очень паршивенький спектрометр, делящий входящий свет всего-то на 3 зоны. Поэтому одному цвету может соответствовать бесконечно много различных спектров. Спектр в цвет превратить легко, для этого и нужны таблицы x,y,z в папке data/colorimetry. Назад - принципиально нельзя, не хватает данных.
 
Я и попытался подправить эти цвета для других спектров и в некотором роде мне это удалось:
- для солнечного спектра все остается как есть
- при сильной затуманенности цвет неба совпадает с цветом светила, что и должно быть
- при уменьшении плотности атмосферы или яркости небесного тела пропорционально падает яркость атмосферы. Пока этот эффект никак визуально не отражается, потому что не с чем ее сравнивать. В перспективе, когда добавлю звезды, то в разреженной атмосфере они начнут проявляться.
 
Впрочем, одно улучшение могу попробовать сделать. И могу еще сделать выбор в программе - или новая модель, или старая, когда небо тупо равномерное, зато теперь с облаками и разным цветом в зависимости от положения Солнца.
 
Логотип я изменил, да. Использовать стандартный логотип среды разработки - не комильфо

[Татьяна Леус]

Впрочем, одно улучшение могу попробовать сделать. И могу еще сделать выбор в программе - или новая модель, или старая, когда небо тупо равномерное, зато теперь с облаками и разным цветом в зависимости от положения Солнца.

О, это интересно!

Логотип я изменил, да. Использовать стандартный логотип среды разработки - не комильфо

А, так это был логотип среды разработки? А я-то думаю, что за семёрочка такая.
 
добавлено через 22 минуты

при сильной затуманенности цвет неба совпадает с цветом светила, что и должно быть

А какую всё-таки адекватную затуманенность нужно ставить, если сильно пыль несёт? Просто даже при уровне 30 небо получается зелёное и у Солнца, и даже у звезды класса А.
 
А вообще как бы получается - я правильно понимаю? - что чтобы экстраполировать цвет неба при такой вот пыльной погоде, можно ориентироваться по цвету солнца?
Кстати, вспоминаю тут, как когда сильный дождь начинает утихать, небо как будто розовеет. Это оно?

[Татьяна Леус]

Дабы не быть свинтусом (дескать, вопросы спрашиваю, а результата ноль), вешаю отрисованную в террагене планетку, цвет неба на которой для меня сейчас крайне актуален. Собственно, здесь в качестве неба в зените был выставлен цвет, показанный вашей программой (более ранней версией) — светло-жёлтый. Звезда поланеты — красный карлик спектрального типа М3. Даны вид из космоса и вид с поверхности. Хотелось бы заодно услышать ваше мнение насчёт того, насколько это походит на правду: и небо, и цвет океана. Положение солнца над горизонтом — 25 градусов.

[nabbla]

Планета красивая. Насчет того, походит ли на правду - увы, не могу знать. Я все-таки инженер, спектроскопией других планет не занимаюсь, а уж спектроскопией экзопланет вообще вряд ли, что кто-то занимается - их и обнаружить-то сложно, а особенно увидеть в оптическом диапазоне. Что уж говорить о том, чтобы столь слабый свет разделить на множество полос...
 
Да, простейший способ "напустить туману" - приблизить цвет неба к цвету Солнца. Не зря он белый, а дым - серый или черный, так и работает рассеяние на крупных частицах или капельках воды.
 
Затуманенность лучше правда пока не поднимать выше 15, там какой-то бред. Но физической моделью атмосферы я займусь не раньше 16 марта, т.к надо к конференции готовиться.
 
Но даже тогда модель не сможет объяснить какие-то редкие атмосферные явления. Не объяснит она "зеленый луч", который возникает благодаря дисперсии лучей атмосферой, да и радугу не нарисует во время дождя. Возможно, что если небо розовеет после дождя, это тоже обусловлено дисперсией, а может, и нет.
 
В общем, предлагаю просто подождать немного. Сейчас мне крайне необходимо за эту неделю сделать физически обоснованную дифракцию - не для моделирования неба в первую очередь, а для расчета сотовой бленды - это то, чему посвящен будет мой доклад. Но ее же смогу "прикрутить" в xenosky, чтобы реалистично рисовать Солнце. А модель атмосферы и выбор разных моделей - еще чуть позже.

[Татьяна Леус]

nabbla, ждём, конечно! Удачного доклада!

[nabbla]

Вот закончилась конференция. Доклад действительно вышел удачным, спасибо за пожелание! Могу показать несколько картинок с него.
 
Дифракция на шестиугольной диафрагме:

 
на неровном отверстии - примитивной модели человеческого зрачка

 
на контррефлекторе зеркального телескопа и 4 опорах к нему

 
В скором времени эту процедуру включу в xenosky, правда, она сейчас очень тормозит. Нужно будет ввести хитрую систему временных файлов, чтобы однажды рассчитанную картину дифракции не нужно было пересчитывать, пока не поменются параметры. И еще оптимизировать свое Уравновешенное Троичное Быстрое Преобразование Фурье на ассемблере, задействовать команды SSE...

[nabbla]

Вспомнил еще по случаю такие стишки:
 
Как увидишь над пашнею радугу -
Атмосферы родимой явление,
Так подумаешь, мать твою за ногу
И застынешь в немом изумлении.
 
Очарован внезапною прелестью,
Елки, думаешь, где ж это, братцы, я?
И стоишь так с отвисшею челюстью,
Но потом понимаешь: ДИФРАКЦИЯ.
 
 
(И. Иртеньев)
 
И от другого автора, в продолжение:
 
 
Есть еще в моем милом отечестве
незнакомые с физикой особи
тень бросают на все человечество,
вразуми и прости ты их, Господи!
 
Как завидят над речкою радугу
(тоже мне, небывалая акция!)
ну давай обниматься от радости -
Гляньте братцы, да это ж ДИФРАКЦИЯ!
 
И кричат, недоумки убогие,
Свято веря в дурацкую версию.
Мы то знаем: по правилам логики
Примитивная это ДИСПЕРСИЯ!

[nabbla]

3-е сообщение подряд, ой забанят меня скоро. Новая версия (0.33) xenosky, если кого интересует.
 
Без серьезных нововведений: несколько ошибок исправлено (освещенность у поверхности считалась неправильно, солнце при малом разрешении получалось квадратным - теперь все-таки круглое), интерфейс чуть-чуть улучшен, а главное, можно сохранять в текстовый файл спектр светила у поверхности планеты, т.е после прохождения атмосферы. А сам график - сохранить в виде картинки.

[Татьяна Леус]

3-е сообщение подряд, ой забанят меня скоро

Ну что вы, про "забанят" не надо! Я просто отсутствовала несколько дней, уезжала, оттого и не отвечала. А новая версия конечно же интересует!
 
Картинки с дифракцией мне понравились, особенно первые две: шестиконечная такая необычная, ну а кругленькая - это ж своё, родное...
 
Стишки уморительные.
Кстати, вопрос. Назрел по прочтении. Так радуга - это всё-таки дифракция или дисперсия?

[nabbla]

Радуга возникает из-за дисперсии, т.е зависимости коэф. преломления от длины волны - разные цвета в каплях воды преломляются по-разному, вот и разделяются, образуя радугу.
 
Радужные разводы на воде, если туда пролили масло или бензин, в общем, образовалась тонкая пленочка у поверхности - это из-за интерференции. Часть света отражается от верхней кромки, часть - от нижней, при сложении какие-то длины волн гасятся, какие-то наоборот, усиливаются.
 
А радужные блики на компакт-диске - это дифракция Хотя дифракция и интерференция всегда идут рука об руку, четко их разделить нельзя.
 
С возращением!

[Татьяна Леус]

А, понятно, вроде бы. А если разные цвета по-разному преломляются, то почему они выстраиваются полосами, а не как попало?

С возращением!

Спасибо!

[nabbla]

Ну, "по-разному" - это я слишком обще выразился. Коэффициент преломления у воды зависит от длины волны по некому простому закону. Не линейно, конечно, но хотя бы монотонно - по крайней мере если взять видимую область. А потому следующие друг за другом в спектре цвета выстроятся в радугу, но могут немного растянутся в одном месте и сжаться в другом.
 
Я тут выложил все-таки исходные коды Xenosky, хотя толку от них мало - я сам плохо понимаю, как это работает Вот здесь они лежат: https://github.com/nabbla/Xenosky
Почему-то, если смотреть их прямо на сайте, русские буквы не везде отображаются, закорючки сплошные. Но если все скачать одним zip- архивом, в нем все в порядке.

[Татьяна Леус]

А можно вопрос про костыли? Я тут почитала атмосферную вкладку, для начала хочу спросить: компонент цвета х, компонент цвета y - это вообще в какой системе координат? В том смысле, это ведь не RGB? Судя по тому, что присутствует третий компонент яркости, я подумала: это не система оттенок-контраст-яркость? Если да, то кто из них х и кто у?