НАСА не перестаёт удивлять мир фотографиями с Марса, на которых небо почти такое же голубое, как и на Земле. И ещё весь мир знает (в первую очередь, благодаря Википедии), что на Марсе постоянно бушуют пылевые бури. Красная пыль постоянно висит в воздухе, поэтому небо на Марсе красное. Именно поэтому на марсианских снимках, изготовленных в НАСА, небо почему-то не голубое и не красное, а чаще всего зелёное, с небольшой желтизной.
И здесь мы подходим к принципиальному вопросу, который вообще не обсуждается в многочисленных статьях про пейзажи Марса. О разнице в восприятии марсианского неба глазом и фотоаппаратом. Мы попытаемся восполнить этот пробел.
На всех "марсианских" снимках НАСА мы видим избыточный жёлтый-зелёный или оранжевый цвет. Он буквально на всех объектах.
Если убрать этот явно избыточный желтый цвет, то мы увидим, что за ним скрывается обычное земное голубое небо.
Поэтому вполне возможно, что все "марсианские" фотографии, что мы видим на официальном сайте, НАСА снимает где-то на Земле, в пустыне. Уже много раз писалось, что давление на поверхности Марса примерно такое же, как на Земле в стратосфере на высоте 31-32 км. И там небо совсем чёрное, поскольку атмосфера настолько разреженная, что рассеивать солнечный свет просто нечему. Много раз упоминался такой факт:
Марсианская атмосфера примерно в 62 раза разреженнее земной. Если бы Марс находился на таком же расстоянии от Солнца, как и Земля, то марсианское небо было бы в 62 раза темнее - как в стратосфере на высоте 32 км над Землёй. Однако Марс в 1,5 раза дальше от Земли, так что там Солнце освещает Марс примерно в 2,2 раза меньше Земли, так что марсианское небо примерно в 150 раз темнее земного.
Уточним очень важный момент. На Земле свет рассеивается не молекулами воздуха, они слишком малы по отношению к длине волны видимого света.
Если сравнить размер молекулы с длиной волны, например, зелёного цвета в середине спектра (550 нм), то получится, что длина волны больше молекул газа в 1670 раз. И световая волна пройдёт и просто "не заметит" молекулу. Свет рассеивается не самими молекулами, а их неравномерными скоплениями, которые называются флуктуациями.
В 1898 г. английский физик Релей создал теорию рассеяния света на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны рассеиваемого света. Из экспериментов и формул, полученных Релеем, следовало, что синие лучи (440 нм) рассеиваются в 4,5 раза сильнее, чем красные (650 нм). Поэтому свет, рассеянный в атмосфере, преимущественно синий. Однако Релей ошибочно полагал, что солнечный свет рассеивается молекулами.
Смолуховский, автор работ по броуновскому движению, в начале ХХ века выдвинул другую гипотезу - рассеивание происходит на неоднородностях в атмосфере, вызванных броуновским тепловым движением молекул.
Эйнштейн в 1910 г. создал последовательную количественную теорию молекулярного рассеяния света, основанную на идее Смолуховского. Для газов интенсивность рассеянного света, вычисленная по формуле Эйнштейна, в точности совпала с результатом, полученным ранее Релеем.
Благодаря тепловому движению молекул всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что концентрация молекул в некоторой области на некоторое время превысит среднюю концентрацию молекул в соседней области, где концентрация молекул на эти время понизится. В атмосфере возникают меняющиеся неоднородности, флуктуации, вот именно они и рассеивают свет.
Об этом подробно писалось в статье 221.
Чтобы атмосфера Марса начала заметно рассеивать свет, должны возникнуть крупные по объёму скопления молекул, флуктуации. Но атмосфера там настолько разрежена, что возникновение флуктуаций стоит под вопросом.
Все эти темы, связанные с флуктуациями, можно обсуждать, и можно в чём-то сомневаться. Можно выдвигать какие-то свои "диванные" теории, почему небо на Марсе должно быть синим или красным. Можно сослаться на мнение "британских учёных", которые давно что-то установили. Но пока что все обсуждения и математические расчёты сводятся к тому, что увидит человек, если окажется на поверхности Марса. Но, вполне возможно, что в ближайшие 100 лет человек на Марс не высадится, и поэтому в следует вести разговор о том, что увидит на Марсе фотокамера. Но эти вопросы никем почему-то не обсуждаются: как увидит марсианское небо фотокамера в отличие от человека? Поэтому заострим внимание на том, чем принципиально отличается восприятие объекта глазом от восприятия цифровой фотокамеры.
Думаю, что не открою никакого секрета, если скажу, что фотокамеры, которые стоят на марсоходах, принципиально ничем не отличаются от фотокамер ваших смартфонов или небольших цифровых фотоаппаратов . На мачте марсохода по краям расположены навигационные камеры, они круглые, а вот ближе к центру, с прямоугольным каше - две фотокамеры Mastcam-Z, левая (L) и правая (R). Именно эти фотокамеры делают большинство фотографий, которые потом расходятся по интернету.
Они расположены высоко на мачте.
Несмотря на оригинальную конструкцию и непривычный вид - это самый обычный фотоаппарат, точно такой же, который есть у многих жителей Земли.
В нём точно такая же светочувствительная матрица и фильтр Байера, как в обычном цифровом фотоаппарате. И примерно такой же объектив с переменным фокусным расстоянием, который мы называем "зумом".
Единственное отличие - за объективом находится колесо с дополнительными фильтрами. Но это тоже не принципиальная разница, поскольку многие фотографы покупают дополнительные фильтры и так же снимают через них.
О марсианских фотоаппаратах у нас была статья:
Вот характеристики камеры MastCam:
Система состоит из двух камер и содержит диск с несколькими фильтрами. Возможно получение снимков в естественных цветах размером 1600 × 1200 пикселей. Видео с разрешением 720p (1280 × 720) снимается с частотой до 10 кадров в секунду и аппаратно сжимается.
Так вот дело в том, что "динамический диапазон" у цифровой камеры значительно меньше, чем динамический диапазон глаза.
Летом у открытого окна я провёл некоторые измерения с помощью профессионального яркомера Асахи-Пентакс, которым во время съёмок пользуются кинооператоры.
Прибор называется спотметром, потому что промеряет небольшое пятнышко угловой величиной в 1 градус ("спот" - пятно). Это маленький кружок в центре окуляра. Так, белые облака на небе показали яркость 16 EV (экспозиционное число EV – Exposure Value).
Разница между соседними числами, например, между "15" и "16" - изменение яркости в 2 раза, или другими словами, 1 ступень. Листва деревьев, растущих во дворе, по яркости - 11 канал.
Разница с белыми облаками, освещёнными солнцем (16 EV и 11 EV) - 5 ступеней. А каждая ступень отличается в 2 раза. Таким образом получается 5 удвоений, или, другими словами, облака в 32 раза ярче, чем неосвещённый участок листвы.
Затем я повернулся от открытого окна в комнату (кухню) и направил яркомер на освещённую стену около подоконника, где в корзиночке рос цветок - 14 EV.
Потом посмотрел на кран около мойки. Там яркомер показал 7 канал.
На кухне стояло чёрное кожаное кресло.
Яркомер на сиденье показал 4 1/3.
Потом на кресло я положил мешочек из чёрного бархата.
Бархат был темнее кресла и яркомер показал всего 2 1/3.
Таким образом глаз может одновременно хорошо видеть яркие белые облака (16 EV) и тут же - мешочек из чёрного бархата на кресле у окна (2 EV), что составляет разницу в 14 ступеней, или интервал яркостей 1:4000 (2 в 14-й степени). Глазу даже не нужно перестраиваться (адаптироваться). Просто перебрасываешь взгляд на облака, а потом вниз на кресло - и всё хорошо видно.
А вот цифровой фотоаппарат не может передать даже 7 ступеней по яркости: как вы помните, на стене у подоконника яркость была 11 EV, а яркость чёрного кресла - 4 EV ( соотношение 2^7, или 1:128). При установке экспозиции по креслу, мы увидим, что подоконник, окно и освещённый кусок стены оказываются пересвеченными (в перемодуляции), потому что обычно стандартный цифровой фотоаппарат передаёт интервал яркостей всего 5-6 ступеней, то есть 1:32 - 1:64, а у нас на объекте 1:128.
Наверное, вы сталкивались с такой ситуацией: фотографируете в помещении, всё вроде бы нормально, но вот окна в кадре оказываются пересвеченными, бесфактурными, тюлевые занавески растворяются в белизне, и за окнами ничего не видно.
Когда же вы пытаетесь проэкспонировать так, чтобы на тюлевых шторах осталась фактура и было бы что-то видно за окном, по предметы внутри комнаты уходят в "черноту".
У цифровых камер очень маленький динамический диапазон. Но ведь глаз в комнате видит совсем не так. Мы прекрасно видим все детали внутри комнаты без затемнения, и видим всё, что находится за окном без выбеливания.
Вот пример, который я наблюдаю каждый день. Около моего компьютера стоит белая клавиатура. Но экран компьютера гораздо ярче этой клавиатуры. Вначале я направляю фотоаппарат сотового телефона только на клавиатуру (кадр слева), но когда я немного приподнимаю телефон, чтобы в кадр вошёл экран компьютера, автомат экспозиции тут же вносит поправку на появившуюся яркость, и клавиатура начинает темнеть.
Когда половину кадра занимает яркий экран компьютера, лежащая рядом белая клавиатура становится совершенно чёрной. Вот такой он низкий, "динамический диапазон" матрицы современных цифровых фотоаппаратов!
Но глазом я вижу совсем другое, не то, что видит фотоаппарат: белая клавиатура для меня по-прежнему белая, а экран монитора - просто яркий. И никакого "пересвета" в глазу нет, как нет и "провала" в тенях.
С точки зрения физики не составляет труда рассчитать, что яркость неба на Марсе будет в 140-215 раз ниже, чем на Земле. Например, это показал Виталий Насенник в статье "Какого цвета небо на Марсе?". А теперь представьте, что мы снимаем марсианский пейзаж, освещённый солнцем. И в кадр входит небо, которое в 140 раз слабее по яркости. Такая низкая яркость по сравнению с освещённой ярким солнцем поверхностью Марса не воспримется фотокамерой - она будет лежать за пределами "динамического диапазона" - и небо получится чёрным.
Возможно, что с точки зрения человека небо на Марсе будет выглядеть слегка голубоватым, ведь у глаза большой "динамический диапазон". Но для цифрового фотоаппарата яркость этого марсианского неба настолько мала, что фотоаппарат передаст такое небо совершенно чёрным тоном, ведь динамический диапазон марсианских фотокамер не может передать интервал более чем 1:64.
Таким образом снимки, которые выкладывает НАСА на своём официальном сайте, где мы видим очень яркое небо, будь то голубое или белесое, не являются достоверными.
*
С вами был кинооператор Л.Коновалов. До новых встреч!
Дополнительно: