Почему небо не фиолетовое?

Это из статьи FAQ по физике , которую я написал 15 лет назад:

Если более короткие волны рассеиваются сильнее всего, то возникает загадка, почему небо не кажется фиолетовым, цветом с самой короткой видимой длиной волны. Спектр светового излучения Солнца не постоянен на всех длинах волн и дополнительно поглощается верхней атмосферой, поэтому в свете меньше фиолетового. Наши глаза также менее чувствительны к фиолетовому цвету. Это часть ответа; тем не менее, радуга показывает, что помимо синего остается значительное количество видимого света цвета индиго и фиолетового. Остальная часть ответа на эту загадку лежит в том, как работает наше зрение. В нашей сетчатке есть три типа цветовых рецепторов, или колбочек. Их называют красными, синими и зелеными, потому что они наиболее сильно реагируют на свет с этими длинами волн. Поскольку они стимулируются в разных пропорциях,

Когда мы смотрим на небо, красные колбочки реагируют на небольшое количество рассеянного красного света, а также менее сильно на волны оранжевого и желтого цветов. Зеленые колбочки реагируют на желтые и более сильно рассеянные зеленые и зелено-синие длины волн. Синие колбочки стимулируются цветами, близкими к синим длинам волн, которые очень сильно рассеиваются. Если бы в спектре не было индиго и фиолетового, небо казалось бы голубым с легким зеленоватым оттенком. Однако наиболее сильно рассеянные длины волн индиго и фиолетового слегка стимулируют красные колбочки, а также синие, поэтому эти цвета кажутся синими с добавлением красного оттенка. Чистый эффект заключается в том, что красные и зеленые колбочки примерно в равной степени стимулируются светом с неба, в то время как синие стимулируются сильнее. Эта комбинация объясняет бледно-голубой цвет. Возможно, это не совпадение, что наше зрение настроено на то, чтобы видеть небо в чистом цвете. Мы эволюционировали, чтобы приспособиться к окружающей среде; и способность наиболее четко разделять естественные цвета, вероятно, является преимуществом выживания.

Ответ на этот вопрос сложен, и один из способов понять, что он не может быть простым, состоит в том, что небо не бывает одноцветным. В зените она голубее, а у горизонта белее. В туманный день серо. Он красный возле заходящего солнца.

На приведенном ниже рисунке (Bohren, Atmospheric Optics , http://homepages.wmich.edu/%7Ekorista/atmospheric_optics.pdf ) показан результат умножения солнечного спектра на$1/f^4$рэлеевского рассеяния. Это дает нам спектр с ярко выраженным пиком в фиолетовом цвете, но в остальном спектре остается довольно много света.

Все это при условии однократного рассеяния. Также происходит многократное рассеяние, и оно чаще всего встречается вблизи горизонта. Многократное рассеяние делает свет ярче и выравнивает интенсивность различных длин волн.

У нас также есть дымка и, возможно, другие формы твердых частиц, такие как смог. Это приводит к рассеянию Ми . Рассеяние Ми на облаке частиц разного размера дает более равномерное рассеяние в зависимости от длины волны, чем рэлеевское рассеяние.

Конечным результатом многократного рассеяния и рассеяния Ми является значительное отбеливание цвета неба.

В атмосфере могут быть частицы, которые на самом деле окрашены. Это не сильно влияет на Землю, но является основным фактором, определяющим цвет марсианского неба.

Затем мы ударяем по клеткам колбочек глаза, которые содержат пигменты, действующие как фильтры для трех перекрывающихся полос. Ответ Филипа Гиббса показывает кривые для этих фильтров. Здесь также присутствует эффект Пуркинье , сдвигающий спектральную реакцию глаза в зависимости от уровня освещенности, что будет влиять на цвет неба в сумерках по сравнению с его цветом в полдень.

Наконец, мы подходим к дополнительному уровню обработки нервной системой, как описано в противоположной теории обработки Геринга, Хурвича и Джеймсона. Вероятно, это оказывает существенное влияние на цвет неба. На этих графиках, вы можете видеть, что (1) красно-зеленая функция имеет неожиданный рост вблизи коротковолнового конца спектра (что, я не думаю, может быть объяснено только на основе крошечного вторичного удара в функции фильтрации красных клеток). ) и (2) мы воспринимаем цвет как синий, когда красно-зеленая функция близка к нулю. Изучая спектр на графике Борена, а затем учитывая побеление, которое возникло бы в результате рассеяния Ми и многократного рассеяния, похоже, что последний шаг прохождения его через красно-зеленую функцию, вероятно, даст чистый отрицательный результат, что сделает небо, как мы видим, кажется голубым или голубым. Чтобы небо выглядело фиолетовым, оно должно иметь чистое положительное значение красно-зеленой функции, а это кажется невозможным для этого спектра.

Хорошая онлайн-статья со ссылками на несколько других, более подробных PDF-файлов находится здесь: http://www.orionsarm.com/xcms.php?r=oa-page&page=gen_skyonalienworlds

Весь свет рассеивается по Рэлею, просто коротковолновый свет рассеивается сильнее. Самый синий свет, который мы можем видеть, имеет длину волны около 400 нм, а самый красный — около 700 нм, поэтому рассеяние при переходе от красного к синему концу спектра увеличивается примерно в десять раз.

Таким образом, свет, который мы видим с неба, — это не чистая длина волны, это смесь всех цветов, но взвешенная в синей части спектра. Чтобы небо было фиолетовым, нам нужно, чтобы рассеяние фиолетового света было намного сильнее, чем красного, а не только в десять раз.