¿Por qué podemos ver a través de la lluvia?

Muchos de los fotones provenientes de objetos cercanos viajarán a tu ojo sin golpear una gota de lluvia. Sin embargo, los fotones que viajan desde objetos más distantes tienen más posibilidades de golpear una gota de lluvia antes de llegar a ti. Esto hace que los objetos más distantes parezcan más oscuros o más difíciles de ver.

Quizás te interese este trabajo de Garg y Nayar que analiza las distorsiones visuales y otros efectos que produce la lluvia. El propósito del documento era poder editar la lluvia de los sistemas de detección visual y poder editar la lluvia en gráficos de computadora. Desplácese hacia abajo hasta la sección 4.1 Dinámica de la lluvia y la Figura 5, que muestra cómo las gotas de lluvia individuales producen un "mapeo complejo de la radiación ambiental".

Los autores concluyen que debido a que "las gotas de lluvia caen más o menos en la misma dirección... la distribución de las gotas es uniforme en el espacio y el tiempo, [y] el campo binario... debido a la lluvia es estacionario en sentido amplio".

En otras palabras, cuando ve a través de la lluvia, generalmente obtiene una vista estacionaria del fondo, pero si sigue los caminos de luz a través de la gota de lluvia como se ilustra en la Figura 5, notará que cada gota dirige la luz no solo desde el fondo, sino pero también desde arriba y desde abajo, hacia ti. Es como si su visión estuviera compuesta de numerosos píxeles que incluyen no solo lo que vería desde la dirección en la que está mirando, sino también desde otras direcciones en las que no se dirige su mirada. Esto puede explicar parcialmente la naturaleza nebulosa de lo que vemos en una lluvia intensa.

La baja densidad de las gotas de lluvia es la respuesta. Sin embargo, el cambio que vemos en la escena debido a la lluvia se puede explicar con la función de transferencia de modulación (MTF) (para cualquier sistema óptico) o la función de sensibilidad al contraste (CSF, característica del ojo solamente).

Las frecuencias espaciales más altas agregadas a la escena y las frecuencias espaciales más bajas suprimidas con gotas de lluvia que caen reducen el contraste de la imagen.

Cortesía

CSF nos dice cómo cambia el contraste de una imagen en nuestro cerebro con las frecuencias espaciales en la escena: Cortesía ( fotópica - bien iluminada, mesópica - media, escotópica - escena con poca luz). Ahora a los números.

1. Velocidad media de una gota de lluvia que cae : 10 m/s
2. Tiempo de integración del ojo humano (tiempo en que se crea una imagen de la escena en las células de su ojo): 0,1 s (bastones, percepción de forma), 0,01 s (conos, percepción de color). Elegimos el momento de las varillas: cuando miras a través de la lluvia, lo primero que buscas son las formas de los objetos (mira los objetos distantes en la imagen).

Durante el tiempo de integración la gota de lluvia vuela 0.1[s]*10[m/s]=1[metro]. Entonces, en términos generales, cada gota de lluvia es un objeto de un metro de largo en la imagen final que trata su cerebro. Durante este tiempo (0,1 s), la gota de lluvia logra refractar ("doblar") tantos rayos de luz (tantos fotones volando hacia ti) desde tantas direcciones que tomarlos todos a la vez casi no te da información útil sobre la escena. Entonces podemos suponer que la gota de lluvia es un objeto casi opaco de un metro de largo en la escena. Casi porque:

1. Comentario de JDlugosz: "Si está integrando la exposición, la barra de un metro de largo no es opaca porque la mayoría de las veces ningún segmento está bloqueado. Obtendrá una vista clara del 90 % y un 10 % de ruido de la fracción de la exposición vez que una gota de lluvia estuvo en ese lugar".
2. La idea de Alex sobre los fotones que vienen de otras direcciones es cierta y las gotas de lluvia no son totalmente opacas para nosotros debido a los efectos de difracción .

Alex también notó correctamente que los objetos distantes son más difíciles de ver bajo la lluvia. A medida que aumenta la densidad de objetos opacos de un metro de largo, el contraste de la imagen disminuye. Esto se debe a la función de transferencia de modulación del ojo.

Dado que hay espacio entre las gotas de lluvia, algunos rayos de luz viajan desde el edificio hasta tu ojo sin tocar una gota de lluvia. Algunos otros rayos de luz se dispersan al azar cuando golpean las gotas de lluvia. Tu cerebro ve el edificio a través de la neblina porque la luz no dispersada siempre transmite la misma imagen del edificio, mientras que la luz dispersada es aleatoria. Tu cerebro sabe qué es real y qué es solo lluvia dispersa porque lo real está constantemente ahí.

Discutiría que podemos ver a través de la lluvia.

Cualquier línea de visión que termine en una gota de lluvia no puede alcanzar el objeto distante. A medida que miramos más profundamente en el campo de la lluvia, más líneas de visión terminan en las gotas de lluvia y las imágenes de objetos distantes se vuelven menos nítidas. Finalmente, cuando la probabilidad de que una LoS termine en una gota de lluvia se acerca a la unidad, la profundidad de visión se limita a esa distancia.

Esto es exactamente lo que sucede cuando estás en un ambiente muy lluvioso, como una cadena montañosa o en el mar. El límite de la vista ( visibilidad en términos marineros) puede ser de alrededor de 1 km.

Un paralelo exacto a esto ocurre en la Paradoja de Olber

Dos razones principales. Primero, la densidad de las gotas de lluvia es realmente baja. Recuerda cómo a veces puede parecer que está lloviendo a cántaros, pero sales y apenas te golpean unas 10 gotas por segundo. Tiene sentido, cuando llueve, sigue siendo principalmente aire. Si la lluvia es$10\, {\rm mm/h}$a$10\,{\rm m/s}$, la densidad de las gotas debe ser el cociente de estos flujos ($\sim 3.6\cdot 10^{-6}$). Es decir, cuando llueve mucho, solo unas pocas partes por millón de aire son gotas (comparable a la densidad de las nubes). Un factor importante aquí también es la proyección: una imagen visual es una proyección 2D de las gotas: las gotas de lluvia son enormes y, por lo tanto, este pequeño porcentaje de volumen se concentra principalmente en unos pocos puntos en un momento dado (+el desenfoque ayuda aún más). La niebla es peor principalmente porque cubre su campo de visión de manera más eficiente: una gota de volumen$V$cubre$V^{2/3}$de tu visión.$N$gotitas de volumen$V/N$cubrir$N^{1/3} V^{2/3}$. La diferencia de dispersión también ayuda a oscurecer aún más eficientemente, pero en su mayoría es solo fragmentación.

Otra parte muy importante es el desenfoque de movimiento. Las gotas son tan rápidas que dentro de la resolución de tiempo de un ojo humano (digamos 20-50 Hz, dependiendo de las condiciones de luz), la gota viaja hasta una distancia de un metro. Entonces, la gota nunca oscurece por completo una cierta parte de su campo visual, solo "bloquea" su visión por una fracción del "tiempo de exposición".

Dicho esto, cuando miras a través de una cantidad suficiente de lluvia, reduce bastante la visibilidad. Las cortinas de lluvia en el horizonte son una vista común (posiblemente con un arco iris, que es, nuevamente, transparente).