¿Por qué el cielo se ve de repente gris a través de esta ventana?

Question

Estoy mirando hacia el tejado con ventanas de mi edificio, y me doy cuenta de que el cielo, que tiene pocas nubes blancas, a veces parece completamente gris, como si hubiera una enorme cubierta de nubes grises, pero no las hay.

Al observarlo y esperar a que se produzca el cambio, me doy cuenta de que es cuestión de segundos: cuando el sol brilla directamente sobre el edificio (pero no directamente sobre mí), el cielo azul se vuelve gris. Me pregunto si esto es sólo una ilusión óptica porque mi visión del color puede ser relativa a su entorno, o si hay un efecto serio de vidrio/sol/refracción o algo así. No he encontrado nada al respecto en internet ni en Stack Exchange, así que os pregunto qué opináis al respecto.

Información adicional : La ventana de arriba es un cristal muy peculiar, es básicamente una ventana de cristal fuerte (porque es casi horizontal, tiene que resistir los golpes) y parece que está cubierta por una capa de negro opaco, con grandes agujeros (la superficie de los agujeros es mayor que la superficie del negro, desde la distancia no se ven los agujeros). Además, estoy tomando las fotos desde una oficina con ventanas, se ve el cielo a través de dos ventanas de cristal, pero la más cercana a mí parece básica y no noté la diferencia al mirar a través de una capa. También se nota que hay una luz azul, como de neón, dirigida al techo, pero durante el día su efecto es insignificante.

Aquí están las fotos, primero el cielo a través de la ventana superior sin que el sol golpee la ventana, luego con el sol (Los colores / diferencias de exposición no parecen hacer una gran diferencia en comparación con mi observación a simple vista. Las fotos fueron tomadas con pocos segundos de diferencia, se puede ver la misma nube en ambas fotos. El cielo gris no es el más grisáceo que he observado, se aleja aún más del azul a veces) :

Answer 1

Intentemos validar y cuantificar la conjetura planteada por primera vez por Carl Witthoft en un comentario a la pregunta, que consiste básicamente en que el cielo sólo parece menos azul en la segunda foto porque hay mucha más luz que se dispersa desde las ventanas hacia la cámara.

Si esto es cierto, deberíamos ser capaces de verlo. Lo primero que hay que hacer es convertir las imágenes del relativamente inútil espacio de color RGB al mucho más útil Espacio de color XYZ que se basa en un modelo de los receptores reales del ojo humano. El sitio web $Y$ corresponde a la luminancia percibida de la imagen (es decir, la respuesta humana media en el espectro visible) y la coordenada $Z$ coordenada corresponde a nuestra respuesta del receptor azul. El $X$ La coordenada se establece para ser recogida y no tiene necesariamente una interpretación física clara. Vea aquí las respuestas en el espectro visible: (de wikipedia ):

Así que eso es lo primero que hice. Obtuve:

Arriba podrá ver las dos fotos originales, así como su $Y$ y $Z$ valores. Aquí podemos ver claramente que la iluminación total ( $Y$ ) en la imagen gris ha subido, y el contenido azul de la imagen ( $Z$ ) también ha subido.

Intentemos verlo más de cerca. Para ello, a continuación voy a ver un histograma de la $Y$ y $Z$ en las imágenes:

Observando este histograma de valores, podemos ver claramente que en los niveles medios (cerca de ~ 0,5) ambas imágenes tienen una joroba azul. Supongamos que se trata del cielo (lo comprobaremos en un segundo). Pero fíjate también en que, si acaso, esa joroba azul se ha desplazado un poco hacia arriba en la activación. Cerca de la joroba azul hay una joroba en la luminancia ( $Y$ ), que parece moverse mucho. Pero en la imagen pasan muchas cosas, y si la conjetura es correcta y entra más luz por las ventanas, esperaríamos que todo en la imagen fuera más brillante, incluidas las columnas y la pared. Así que tenemos que intentar filtrar el cielo, así que vamos a hacer un corte en la imagen dado por esas jorobas en el azul. He mostrado mis opciones para los cortes como las líneas discontinuas verticales en la imagen. Aplicando ese corte a la imagen original obtenemos:

¡Absolutamente maravilloso! Acabamos de desarrollar un filtro de cielo casi perfecto. Ahora que sabemos qué píxeles corresponden al cielo, podemos volver a mirar nuestros histogramas, pero esta vez sólo para los píxeles del "cielo".

Y ahora parece que no se puede negar la explicación de Carl Witthoft, el cielo parece menos azul, en la imagen del "Cielo Gris", no porque el azul haya desaparecido (de hecho si hay más contenido azul en él) sino porque hay mucha más luz procedente de esos puntos más allá del azul, y por lo tanto no mira azul ya. Para completar, veamos los histogramas en los canales RGB de sólo los píxeles del cielo:

Aquí podemos ver claramente que no es que el azul haya desaparecido, simplemente tenemos mucho más rojo y verde saliendo de las ventanas ahora.

Pero, ¿por qué parece mucho menos azul Cuando los valores de los canales rojo y verde siguen siendo menores que los del azul?

Esto es un efecto de la percepción humana. Somos mucho menos sensibles a la luz azul que a la verde. Si vuelves a mirar el gráfico de la parte superior de esta respuesta, recuerda que el $Y$ se eligió como la sensibilidad perceptiva de los sujetos humanos en el espectro visible. Fíjate en lo poco que se solapa con el azul.

De hecho, un fórmula común que la gente utiliza para convertir imágenes a escala de grises (que es peor que la transformación XYZ, pero fácil de hacer) es:

$$ L = 0.21 R + 0.72 G + 0.07 B $$

Esto demuestra el problema con sólo tres números. Aproximadamente el 72% de lo que percibimos como luminosidad procede del canal verde, el 21% del rojo y sólo el 7% del azul. Por eso, cuando el sol incide en las ventanas de tu edificio, aunque entre más luz azul y los componentes azules sigan dominando a los demás colores, de repente se ve muy apagado.

Todo el código utilizado para realizar estas cifras está disponible como cuaderno ipython aquí .

Answer 2

Hay una pregunta favorita en los exámenes de calificación de las facultades de física,

¿Por qué el cielo es azul?

La respuesta es la Dispersión Rayleigh . Los fotones de menor longitud de onda tienen más probabilidades de cambiar de dirección en la atmósfera, por lo que la luz más azul y de menor longitud de onda está sobrerrepresentada en la luz procedente de direcciones aleatorias del cielo.

Creo que la misma razón "por la que el cielo es azul" es también la razón por la que "el cielo en determinadas circunstancias no es tan azul". Cuando el Sol brilla directamente sobre el cristal, pero no hacia ti, los fotones pueden dispersarse de la suciedad y las impurezas del cristal. A diferencia del aire, estas impurezas son capaces de cambiar la dirección de todos los fotones.

Así, si la suciedad del cristal no está directamente iluminada por el Sol, los fotones de lugares genéricos del cielo sólo llegan a su ojo si se originan en los fotones solares dispersados por la atmósfera, y estos fotones tienden a ser azules. Sin embargo, si el cristal está iluminado directamente, estás recibiendo muchos fotones del Sol que cambian de dirección al chocar con la suciedad del cristal, y éstos no se desplazan al extremo azul del espectro porque la dispersión de la suciedad no es una dispersión de Rayleigh; es más ciega al color. Por lo tanto, el color que se ve en las direcciones genéricas se vuelve más gris.

Tenga en cuenta que estoy diciendo que la pregunta correcta debería haber sido la opuesta a la suya: por qué el cielo es azul en la primera situación. El "estado por defecto" de la luz que viene de algunas direcciones es de color neutro, es decir, "gris". Esto ocurre cuando las direcciones de los fotones se modifican con bastante independencia de su color o longitud de onda, y esta condición se cumple cuando la dispersión de las impurezas en el cristal es la fuente dominante de luz de una dirección. Por otra parte, es "extraordinario" que la luz no sea de color neutro, es decir, que sea azul, y por eso sigue siendo el cielo azul, y no el gris, el que merece una explicación "especial". ¡Es la explicación habitual basada en la dispersión de Rayleigh! En este sentido, la respuesta a su pregunta es simplemente que los "procesos especiales" que hacen que el cielo sea inusual, es decir, azul, no son dominantes en la segunda situación.