Warum ist der Himmel nicht lila?

Dies ist aus dem Physik-FAQ-Artikel , den ich vor 15 Jahren geschrieben habe:

Wenn kürzere Wellenlängen am stärksten gestreut werden, dann ist es rätselhaft, warum der Himmel nicht violett erscheint, der Farbe mit der kürzesten sichtbaren Wellenlänge. Das Spektrum der Lichtemission der Sonne ist nicht bei allen Wellenlängen konstant und wird zusätzlich von der hohen Atmosphäre absorbiert, sodass das Licht weniger violett ist. Auch unsere Augen reagieren weniger empfindlich auf Violett. Das ist ein Teil der Antwort; Ein Regenbogen zeigt jedoch, dass jenseits des Blaus eine erhebliche Menge an sichtbarem Licht in den Farben Indigo und Violett verbleibt. Der Rest der Antwort auf dieses Rätsel liegt in der Art und Weise, wie unsere Vision funktioniert. Wir haben drei Arten von Farbrezeptoren oder Zapfen in unserer Netzhaut. Sie werden rot, blau und grün genannt, weil sie bei diesen Wellenlängen am stärksten auf Licht reagieren. Da sie in unterschiedlichen Anteilen stimuliert werden,

Wenn wir in den Himmel blicken, reagieren die Rotkegel auf die geringe Menge an rotem Streulicht, aber auch weniger stark auf orange und gelbe Wellenlängen. Die grünen Zapfen reagieren auf gelbe und die stärker gestreuten grünen und grün-blauen Wellenlängen. Die blauen Zapfen werden durch Farben in der Nähe blauer Wellenlängen angeregt, die sehr stark gestreut werden. Ohne Indigo und Violett im Spektrum würde der Himmel blau mit einem leichten Grünstich erscheinen. Die am stärksten gestreuten Indigo- und Violett-Wellenlängen regen jedoch neben dem Blau auch die Rotkegel leicht an, weshalb diese Farben blau mit einem zusätzlichen Rotstich erscheinen. Der Nettoeffekt besteht darin, dass die roten und grünen Zapfen ungefähr gleich durch das Licht vom Himmel stimuliert werden, während der blaue Kegel stärker stimuliert wird. Diese Kombination erklärt die helle himmelblaue Farbe. Es mag kein Zufall sein, dass unser Sehvermögen darauf eingestellt ist, den Himmel in einem reinen Farbton zu sehen. Wir haben uns entwickelt, um uns in unsere Umgebung einzufügen; und die Fähigkeit, natürliche Farben am klarsten zu trennen, ist wahrscheinlich ein Überlebensvorteil.

Die Antwort auf diese Frage ist kompliziert, und ein Weg, um zu sehen, dass es nicht einfach sein kann, besteht darin, dass der Himmel keine einzige Farbe hat. Es ist in der Nähe des Zenits blauer und in der Nähe des Horizonts weißer. Es ist grau an einem diesigen Tag. Es ist rot in der Nähe der untergehenden Sonne.

Die folgende Abbildung (Bohren, Atmospheric Optics , http://homepages.wmich.edu/%7Ekorista/atmospheric_optics.pdf ) unten zeigt das Ergebnis der Multiplikation des Sonnenspektrums mit dem$1/f^4$der Rayleigh-Streuung. Dies gibt uns ein Spektrum, das im Violett stark spitzt, aber im Rest des Spektrums immer noch ziemlich viel Licht enthält.

Dies alles setzt Einzelstreuung voraus. Mehrfachstreuung tritt ebenfalls auf und ist am häufigsten in der Nähe des Horizonts. Mehrfachstreuung hellt das Licht auf und gleicht die Intensitäten der unterschiedlichen Wellenlängen aus.

Wir haben auch Dunst und möglicherweise andere Formen von Feinstaub wie Smog. Dies erzeugt Mie-Streuung . Die Mie-Streuung an einer Wolke von Partikeln mit einem Bereich von Größen erzeugt eine gleichmäßigere Streuung als Funktion der Wellenlänge als die Rayleigh-Streuung.

Das Nettoergebnis von Mehrfachstreuung und Mie-Streuung besteht darin, die Farbe des Himmels beträchtlich aufzuhellen.

Es können Partikel in der Atmosphäre vorhanden sein, die tatsächlich gefärbt sind. Dies ist kein großer Effekt auf der Erde, aber es ist der Hauptfaktor, der für die Farbe des Marshimmels verantwortlich ist.

Als nächstes treffen wir auf die Kegelzellen des Auges, die Pigmente enthalten, die als Filter für drei überlappende Bänder wirken. Die Antwort von Philip Gibbs zeigt die Kurven für diese Filter. Hier gibt es auch den Purkinje-Effekt , der die spektrale Empfindlichkeit des Auges je nach Lichtstärke verschiebt, was die Farbe des Himmels in der Dämmerung im Vergleich zu seiner Farbe am Mittag beeinflusst.

Schließlich kommen wir zu einer zusätzlichen Ebene der Verarbeitung durch das Nervensystem, wie sie von der Opponent-Processing-Theorie von Hering, Hurvich und Jameson beschrieben wird. Dies hat wahrscheinlich einen erheblichen Einfluss auf die Farbe des Himmels. Auf diesen Grafiken, können Sie sehen, dass (1) die Rot-Grün-Funktion nahe dem kurzwelligen Ende des Spektrums einen überraschenden Anstieg aufweist (was meines Erachtens nicht nur aufgrund der winzigen sekundären Erhebung in der Filterfunktion der roten Blutkörperchen erklärt werden kann ), und (2) wir nehmen eine Farbe als blau wahr, wenn die Rot-Grün-Funktion nahe Null ist. Betrachtet man das Spektrum in der Grafik von Bohren und betrachtet dann die Aufhellung, die aus Mie-Streuung und Mehrfachstreuung resultieren würde, sieht es so aus, als würde der letzte Schritt, es durch die Rot-Grün-Funktion zu führen, wahrscheinlich ein negatives Nettoergebnis erzeugen, was machen würde der Himmel neigt dazu, blau oder cyan zu erscheinen – wie wir beobachten. Damit der Himmel violett erscheint, müsste er einen positiven Nettowert der Rot-Grün-Funktion haben, und das scheint bei diesem Spektrum unmöglich.

Ein guter Online-Artikel mit Links zu mehreren anderen, ausführlicheren PDFs ist hier: http://www.orionsarm.com/xcms.php?r=oa-page&page=gen_skyonalienworlds

Alles Licht ist Rayleigh-Streuung, es ist nur so, dass kurzwelliges Licht stärker gestreut wird. Das blaueste Licht, das wir sehen können, hat eine Wellenlänge von etwa 400 nm, während das röteste eine Wellenlänge von etwa 700 nm hat, sodass die Streuung vom roten zum blauen Ende des Spektrums etwa um den Faktor zehn zunimmt.

Das Licht, das wir vom Himmel sehen, ist also keine reine Wellenlänge, es ist eine Mischung aus allen Farben, aber am blauen Ende des Spektrums gewichtet. Damit der Himmel violett ist, müsste die Streuung von violettem Licht viel stärker als rotes Licht sein, nicht nur um den Faktor zehn.