MEDIUM · atmosphereRAYLEIGH · 1/λ⁴MIE · forward-peakedSCALE · planetary
Rozdział 21 / Specjalizacje

Atmosfera i niebo

Ten sam wolumen z Rozdziału 18 — tylko rozciągnięty na całą planetę. Niebieskie niebo, czerwony zachód słońca i biała poświata wokół słońca to jeden i ten sam mechanizm: rozpraszanie światła na cząsteczkach powietrza, widziane w trzech różnych okolicznościach.

TL;DR
Pass: Skala

Niebo jako wolumen

W południe światło słońca przebija atmosferę praktycznie na wprost — krótka droga przez ośrodek rozpraszający. O zachodzie słońce jest niemal na wysokości horyzontu, więc to samo światło przebywa dużo dłuższą drogę przez tę samą atmosferę, zanim dotrze do Twojego oka.

Atmosphere.path.lengthsun elevation
45° · droga ≈ 1,4×
granica atmosfery obserwator 45° droga ≈ 1,4×
Ta sama grubość atmosfery — inny kąt wejścia oznacza wielokrotnie dłuższą drogę do przebycia. To dokładnie suwak „Sun Angle” z Twojego silnika.
Pass: Rayleigh vs Mie

Dwa rozpraszania, dwa wyglądy nieba

Rozpraszanie Rayleigha zachodzi na cząsteczkach dużo mniejszych niż długość fali światła (azot, tlen) i silnie zależy od długości fali — krótsze, niebieskie fale rozpraszają się około 10 razy silniej niż czerwone. To dlatego niebo w dzień jest niebieskie (rozproszone niebieskie światło dociera z każdej strony), a zachodzące słońce czerwone (niebieskie zostało rozproszone po drodze, zanim dotarło do Ciebie na wprost).

Rozpraszanie Mie zachodzi na większych cząsteczkach (aerozole, kropelki wody, pył) i rozprasza głównie do przodu, praktycznie niezależnie od długości fali. To źródło białej poświaty wokół słońca i mlecznego wyglądu zamglonego nieba.

↓ Dodatek Z — wzór na kierunek rozproszenia
Scattering.lobessymmetric vs forward
RAYLEIGH · symetryczne MIE · silnie do przodu
Ten sam typ diagramu co lob BRDF z Rozdziału 10 — tylko teraz to nie odbicie od powierzchni, a rozproszenie w objętości.
Z praktyki

„Sky Texture” w Blenderze, „Physical Sky” w Arnoldzie/V-Rayu i systemy nieba w Unrealu (model Nishity albo Preethama) implementują właśnie to: sumę rozpraszania Rayleigha i Mie, ray marchowaną przez atmosferę z Rozdziału 18. To dlatego zmiana „Sun angle” w tych systemach przelicza kolor całego nieba, nie tylko jasność — dosłownie zmienia długość drogi światła przez atmosferę.

Ta sama para efektów tłumaczy też, czemu odległe góry wydają się niebieskawe (Rayleigh z powietrza między Tobą a nimi) i czemu smog robi niebo białe, nie niebieskie (więcej dużych cząsteczek = więcej Mie, mniej wybiórczego Rayleigha).

Słowniczek
Rozpraszanie Rayleigha
Rozpraszanie na małych cząsteczkach, silnie zależne od długości fali (∝1/λ⁴).
Rozpraszanie Mie
Rozpraszanie na większych cząsteczkach, głównie do przodu, słabo zależne od fali.
Funkcja fazowa
Rozkład kierunków rozproszenia — odpowiednik BRDF dla wolumenu.
Model Nishity / Preethama
Praktyczne modele analityczne nieba używane w silnikach.
Idź głębiej
Dodatek Y — Environment lighting / HDRI Dodatek Z — Funkcja fazowa Henyeya-Greensteina