¿Por qué el cielo *uniforme* azul?

Question

He leído un montón de respuestas a las preguntas de por qué el cielo es azul. Sin embargo, todas las respuestas que he encontrado contienen en su mayor parte análisis cualitativo: dispersión de Rayleigh es cambiar la dirección de la luz azul, por lo que hay más luz azul que viene a la vista a lo largo de la línea de visión de la línea roja.

Sin embargo, estas explicaciones plantear preguntas adicionales.

Primero de todo, el esquema de un solo dispersión parece ser una simplificación excesiva: la dirección de la luz debe ser cambiado más de una vez. Podemos demostrar que esto es insignificante por cálculo, o no es insignificante? ¿Este cambio en el análisis?

Además, la explicación no dice nada acerca de la exacta cantidad de la luz azul se dispersa cuando se mira en una dirección en particular. Suponiendo que el sol está en el cenit, se sigue de simetría que el color del cielo en las direcciones de tener el mismo ángulo cenital debe ser el mismo, pero más cerca del horizonte, el camino de la luz dispersada difiere mucho de la de los rayos que vienen cerca de zenith - por lo tanto, es posible derivar teóricamente una fórmula que podría predecir el color del cielo, dado el ángulo azimutal y la posición del Sol (al menos en un geométricas simples, el programa de instalación cuando el Sol está en el cenit)? No está claro por qué el color no debe cambiar rápidamente de cerca azul en el horizonte, casi rojo cerca de la posición del Sol: después de todo, el ambiente es más grueso a lo largo de las líneas que van más cerca del horizonte! El cielo parece estar más uniforme azul de la típica explicación sugiere.

Además, se desprende de la explicación habitual que la luz azul es parcialmente reflejada de vuelta al espacio. Debido a esto, alrededor de la mitad de todos los dispersos de luz debe ser perdido, por lo que la cantidad total de luz roja proveniente de sol debe ser mayor que la cantidad de luz azul, que parece contradecir la realidad observable. ¿No es así?

Estoy principalmente interesado en el análisis cuantitativo, las observaciones o consideraciones cualitativas.

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He leído las respuestas a esta pregunta y saber que la fisiología del ojo viene además en el juego, pero vamos a descuidar este para el bien de la simplicidad.

Answer 1

Primero de todo, el esquema de un solo dispersión parece ser una simplificación excesiva: la dirección de la luz debe ser cambiado más de una vez. Podemos demostrar que esto es insignificante por cálculo, o no es insignificante?

Esto es una simplificación excesiva, pero para un cielo despejado en el día no es demasiado malo. Consulte la siguiente comparación de una atmósfera modelo calculado con un solo de dispersión y de que la inclusión de 4 órdenes de dispersión (básicamente, 4 interruptores de dirección por los rayos de luz). La proyección aquí es equirectangular, así que usted puede ver todas las direcciones en una sola imagen.

Esto se convierte en mucho más problemático de la simplificación, cuando el sol está bajo el horizonte, particularmente perceptible en el cinturón de Venus, donde la sombra de la Tierra se encuentra:

Suponiendo que el sol está en el cenit, se sigue de simetría que el color del cielo en las direcciones de tener el mismo ángulo cenital debe ser el mismo, pero más cerca del horizonte, el camino de la luz dispersada difiere mucho de la de los rayos que vienen cerca de zenith - por lo tanto, es posible derivar teóricamente una fórmula que podría predecir el color del cielo, dado el ángulo azimutal y la posición del Sol (al menos en un geométricas simples, el programa de instalación cuando el Sol está en el cenit)?

Si descuidamos la no uniformidad de la atmósfera con la latitud y la longitud, este escenario va a llevar a los colores independientes de azimut. No es muy claro lo que quieres decir con "la posición del Sol", aunque, si ya había puesto en el cenit. Además, si por "derivar teóricamente una fórmula" te refieres a algunos de forma cerrada expresión, entonces es improbable, dado que la atmósfera no es una simple distribución de gases y aerosoles. Pero es posible calcular los colores numéricamente, y en estas fotos demuestran este cálculo hecho por mi (trabajo en progreso) de software, CalcMySky.

No está claro por qué el color no debe cambiar rápidamente de cerca azul en el horizonte, casi rojo cerca de la posición del Sol: después de todo, el ambiente es más grueso a lo largo de las líneas que van más cerca del horizonte!

No debería ser más azul en el horizonte que en el cenit. Después de todo, usted tiene relativamente pequeño espesor cerca de zenith, lo que hace que la mayor parte de la luz dispersada a usted no demasiado extinto debido a la ley de Lambert-Beer, mientras que cerca del horizonte, el espesor es mucho mayor, y la luz dispersada en el observador, además de convertirse en un azul más intenso debido a la dispersión de Rayleigh, dependiendo de la longitud de onda, se vuelve también más rojizo debido a la extinción a lo largo de este largo camino. La combinación de este corrimiento hacia el azul y el enrojecimiento de los efectos da un color más cercano al blanco (que se puede ver en el día de la simulación de arriba), o de color rojizo-naranja (en la penumbra).

Además, se desprende de la explicación habitual que la luz azul es parcialmente reflejada de vuelta al espacio. Debido a esto, alrededor de la mitad de todos los dispersos de luz debe ser perdido, por lo que la cantidad total de luz roja proveniente de sol debe ser mayor que la cantidad de luz azul, que parece contradecir la realidad observable.

Sí, la Tierra, de hecho, se ve azulado desde el espacio, por lo que el total de la radiación entrante desde arriba debe ser más rojizo en el suelo que en la parte superior de la atmósfera. Pero esta es modificada por la capa de ozono, sin que tendríamos de arena de color de la luz crepuscular, en lugar de azul. Véase para más detalles la pregunta ¿por Qué hay una "hora azul" después de la "hora de oro"?

Answer 2

Breve explicación de esto. La luz roja viene directamente de Sol casi de la onu-dispersas o diseminadas a grado pequeño. Y cuando la luz azul entra en la atmósfera se dispersa por las moléculas del aire mucho en cada dirección, lo que según el principio de Huygens-Fresnel haciendo que cada punto en la atmósfera como fuentes secundarias de luz azul. Estos azules fuentes de luz añade-a lo largo de la dirección de la vista, que al final se aumenta la intensidad de las olas azules, en comparación con los rojos que nos llega directamente del Sol. Así que hablando por analogía, la atmósfera de la Tierra actúa como una especie de lente óptica, enfocando la luz azul hacia la dirección de la vista. Esquemas :

Por supuesto, esto es un poco simplista, porque la luz azul se dispersa en TODAS las direcciones a través del aire. Usted puede imaginar miles de focos de luz azules convertido en el cielo. Tal vez esta sería la mejor analogía, porque cada punto en el aire actúa como una fuente de luz ambiental para el azul de las olas.

Answer 3

Aquí están algunas de las respuestas, aunque de nuevo-de-la-envoltura.

En un razonablemente buen sitio con una baja cantidad de aerosoles atmosféricos y el polvo, la "extinción" es de aproximadamente 0.3 magnitudes por masas , a 400 nm, en los astrónomos unidades, en comparación con alrededor de 0.1 mag/masa a 550 nm y alrededor de 0,04 mag/alcanza a 700 nm.

Lo que esto significa es que si la luz viaja a través de la atmósfera en zenith, luego un factor de $10^{-0.3/2.5}=0.758$ de la luz azul que hace a la tierra, en comparación con un factor de 0.912 para la luz verde y 0.963 para la luz roja. La mayoría de los restantes serán Rayleigh dispersos (aunque hay algún componente de la absorción y dispersión por aerosoles en estos números).

A partir de esto se puede ver que la dispersión múltiple no puede ser insignificante para la luz azul, porque al menos una cuarta parte de lo que está disperso por sólo viajando a través de la minuimum cantidad posible de aire entre el espacio y el observador.

El siguiente punto: sí, es posible calcular el espectro de la luz del cielo dado las condiciones atmosféricas (la carrera de la densidad con la altura) y el aerosol contenido (el último es importante porque la dependencia de la dispersión de la sección transversal en la longitud de onda es mucho más uniforme que el de dispersión de Rayleigh). Hay una fórmula simple - no. Un ejemplo de donde cálculos detallados, se han establecido en gran detalle se puede encontrar aquí.

Entonces, ¿por qué no en el cielo vuelto rojo cerca del Sol? ¿Por qué? La luz roja no es efectivamente disperso, así que el rojo de la luz que es emitida por el Sol no se dispersan hacia el observador. Por otro lado, si se mira directamente hacia el Sol (por favor, no hagas esto), a continuación, la luz azul es preferentemente dispersas fuera de la luz directa del sol, y, de hecho, el Sol es "más rojo" de lo que parece desde el espacio (gráfico siguiente).

La única fuente de iluminación de las direcciones que no son hacia el Sol son de la dispersión de la luz. Si ignoramos la dispersión múltiple y aerosoles, a continuación, que dispersa la luz tendría un espectro que era proporcional a la lámpara de la luz multiplicada por la dispersión de Rayleigh de la sección transversal. El iluminador de luz hace progresivamente más rojizo como el ángulo cenital aumenta (debido a que la lámpara de haz tiene que viajar más lejos y más profundo a través de la atmósfera), por lo que usted esperaría de un color más blanco cerca del horizonte, la transición a un profundo azul más alto sobre el horizonte. Sin embargo, esto no es un efecto muy fuerte debido a que sólo una cuarta parte de la luz azul se dispersa por masas (y el ojo tiene una pseudo-logarítmica de la respuesta espectral de flujo). Nota a pesar de que en la práctica los aerosoles no están ausentes y que la dispersión de los aerosoles y las partículas tiene una cierta concentración en la dispersión de la dirección, que se mete esta predicción simple, haciendo que el cielo blancos más cercano al Sol. Varios scatterings también hacer el cielo más blanca cerca del horizonte, porque algo de la luz azul procedente de esa dirección, luego se dispersa fuera de la línea de visión.

Esto se ilustra perfectamente por una calculada cielo de la imagen que muestra la contribución de Rayleigh y el aerosol (Mie) dispersión (tomado de este sitio web, que hace cálculos cuantitativos, pero que no tiene en cuenta la dispersión múltiple). El cielo es muy blanco cerca del horizonte, entonces se convierte en un azul más profundo en ángulos más grandes y finalmente es muy blanco de nuevo cerca del Sol debido a la dispersión de Mie.

Su punto final, he cubierto ya. Sí, la luz directa del sol llegan a la superficie de la Tierra es "más rojo" que recibió en la parte superior de la atmósfera. Parcela debajo de https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png

Answer 4

la dirección de la luz debe ser cambiado más de una vez.

Sí, eso sucede. La luz azul que llega a usted probablemente ha sido esparcidos en varias ocasiones. No hace ninguna diferencia fundamental, es que aún llegando de todas partes y todavía azul.

No está claro por qué el color no debe cambiar rápidamente de cerca azul en el horizonte, casi rojo cerca de la posición del Sol

Sí cambia notablemente. El polvo y la larga distancia hasta el horizonte de hacer la luz de bajo nivel menos puro y típicamente contienen dispersos directa verde y rojo también, así que es más que un lavado "cielo azul" en comparación con el más fuerte, profundo azul del cenit. Pero los humanos sistema óptico compensa por lo que la clasificación es a menudo apenas perceptible. Recuerde que el azul se dispersa en múltiples ocasiones, por lo que incluso cerca del Sol el cielo está todavía dominado por los dispersos de color azul.

alrededor de la mitad de todos los dispersos de luz debe ser perdido, por lo que la cantidad total de luz roja proveniente de sol debe ser mayor que la cantidad de luz azul

Los astronautas han descrito la Tierra visto desde el espacio como "blue marble", por lo que están a la derecha en el dinero allí. Lo que hemos evolucionado a pensar como "blanco" es más amarillo que el Sol del color real.

Estoy principalmente interesado en el análisis cuantitativo

Se han preguntado un montón de preguntas cualitativas, aunque. Modelos cuantitativos dependen en gran medida de la altura del Sol en el cielo y la composición del/de la contaminación de la atmósfera a la vez visible y dentro de dispersión rango del horizonte y a diferentes altitudes.

Answer 5

pero más cerca del horizonte, el camino de la luz dispersada difiere mucho a partir de los rayos que cerca de zenith

El horizonte tiene alrededor de 5 km de radio. La diferencia de la distancia a través de la atmósfera insignificante entre el centro donde el observador se encuentra a 5 km de él.

Además, se desprende de la explicación habitual que la luz azul es parcialmente reflejada de vuelta al espacio

La luz azul se dispersa en todas las direcciones, incluyendo al espacio exterior. El argumento de la falta de azul al atardecer es diferente. La luz viaja a miles de kilómetros a través de la atmósfera, la dispersión de la luz azul durante este camino.