Mengapa langit berwarna
biru pada siang hari dan langit berwarna merah-jingga pada pagi dan sore hari?
Jawab
:
Hal ini disebabkan kandungan atmosfer yang akan
dikaji dalam teori hamburan cahaya (Hamburan Rayleigh dan Hamburan Mie. Nah
yang menjadi pertanyaan kita apa itu atmosfer, hamburan Rayleigh dan hamburan
Mie. Saya akan mengulasnya satu persatu.
Apa
itu atmosfer ?
Atmosfer merupakan percampuran dari berbagai gas dan
molekul yang melingkupi permukaan bumi. Komponen utamanya adalah gas nitrogen
(78%) dan oksigen (21%). Selebihnya merupakan partikel koloid, atmosfer terisi
oleh gas argon, air (baik dalam bentuk uap air maupun kristal es), dan berbagai
partikel padat seperti debu, partikel-partikel sisa pembakaran (polutan), dan
juga garam (terutama untuk daerah di atas permukaan laut).
Sinar matahari yang memasuki atmosfir tersebut
bertemu dengan molekul gas dan partikel debu tadi. Warna sinar yang memiliki
gelombang sinar lebih panjang seperti merah dan kuning, dapat melewati dan
menembus molekul gas dan debu tadi. Tetapi warna biru yang memiliki gelombang
sinar lebih pendek dipantulkan kembali ke atas atmosfir. Itulah mengapa langit
terlihat berwarna biru. Prinsip yang sama berlaku juga dengan air di laut atau
danau yang terlihat berwarna biru.
Sebelumnya cahaya matahari berwarna putih. Matahari
memancarkan gelombang elektromagnetik dalam semua spektrum cahaya tampak
(merah-jingga-kuning-hijau-biru-nila-ungu) serta non visibel semacam UV, IR dan
lainnya. Setiap warna memiliki frekuensi dan panjang gelombang yang
berbeda-beda. Panjang gelombang dan frekuensi memiliki nilai kebalikan. Warna
dengan frekuensi tinggi maka panjang gelombangnya rendah. Semakin tinggi
frekuensi, maka semakin besar energinya.
Bagaimana
proses hamburan cahaya matahari ?
Pada proses hamburan cahaya, cahaya putih
diradiasikan dari matahari dan melewati atmosfer, maka cahaya putih tersebut
akan diserap oleh berbagai molekul yang mendiami atmosfer, setelah diserap
cahaya tersebut akan dilepaskan kembali ke atmosfer. Peristiwa inilah yang kita
sebut sebagai hamburan cahaya. Pada peristiwa penyerapan bisa dibilang tidak
ada sesuatu yang menarik. Namun pada saat cahaya dilepas dari molekul, muncul
suatu fenomena yang menarik untuk dianalisis. Ternyata cahaya dengan energi
yang besar (frekuensi besar) akan diradiasikan lebih banyak daripada cahaya
dengan energi rendah (frekuensi rendah). Melalui analisis yang detail diperoleh
hubungan bahwa jumlah energi yang diradiasikan pada peristiwa hamburan adalah
sebanding dengan pangkat empat frekuensinya. Sehingga jika diketahui panjang
gelombang ungu adalah 400 nm dan merah adalah 700 nm, maka perbandingan pangkat
empat frekuensi kedua cahaya (Ungu : Merah) dapat diperoleh 9,4. Artinya cahaya
ungu diradiasikan 9 kali lebih banyak daripada cahaya merah.
Mengapa
langit berwarna biru pada siang hari ?
Ketika cahaya putih ini
memasuki atmosfir ia akan dihamburkan secara elastis oleh partikel nitrogen dan
oksigen yang ada di atmosfer. Elastis disini memiliki makna bahwa tidak ada
perubahan panjang gelombang yang datang dengan panjang gelombang yang
dihamburkan, sehingga energinya tetap. Karena diameter partikel penghambur ini
jauh lebih kecil dari panjang gelombang matahari. Proses fisika yang terjadi
adalah adalah hamburan Rayleigh.
Menurut teori hamburan
Rayleigh intensitas hamburan berbanding terbalik dengan panjang gelombang
pangkat empat penghamburnya (matahari), artinya semakin kecil panjang gelombang
semakin besar intensitas hamburannya. Karena panjang gelombang biru dan ungu
lebih kecil dari rentang visibel yang dihamburkan oleh atmosfer. Akan terlihat
campuran yang lebih dominan yaitu banyak sekali biru-ungu dengan sedikit
warna-warna lainnya yang kemudian tampak sebagai biru cerah. Hal ini disebabkan
alat indra seorang pengamat cenderung menangkap warna biru. Indra penglihatan
manusia terdapat 3 reseptor warna, yaitu : merah, biru, dan hijau. Karena pada
siang hari banyak terhamburnya warna biru-ungu, maka mata akan melihat warna
yang diserap oleh reseptor hanya warna biru saja.
Pada saat posisi matahari berada dalam jarak
yang dekat dengan pengamat maka panjang gelombangnya kecil dan frekuensinya
tinggi. Dalam spektrum cahaya tampak yang memiliki frekuensi tinggi adalah
biru-ungu. Sehingga yang dihamburkan adalah warna biru dan warna ungu.
Warna matahari disiang
hari sering terlihat kuning. Hal ini disebabkan karena kita melihat spektrum
putih matahari yang sudah melewati partikel penghambur dengan banyak hamburan
di warna biru dan ungu, sehingga warna matahari yang terlihat bukan putih
tetapi kekuningan.
Pada jarak dekat warna
matahari akan tampak lebih putih. Hal ini disebabkan karena cahaya matahari
yang mengenai matahari tidak banyak melewati partikel penghambur sehingga masih
banyak mengandung campuran warna-warna (putih). Pada saat kabut partikel
gas/debu di udara (diameternya jauh lebih kecil dari panjang gelombangnya
sehingga bukan hamburan elastis) menyerap dan memblokir warna dominan biru yang
dihamburkan oleh nitrogen dan oksigen sehingga dibeberapa tempat hamburan biru tidak
sampai ke mata.
Awan yang terlihat
putih karena partikel uap air memiliki diameter jauh lebih besar dari panjang
gelombang matahari sehingga yang terjadi adalah hamburan yang tidak bergantung
pada panjang gelombang. Hal ini dikenal sebagai teori hamburan Mie. Ketika
partikel awan terkena sinar putih matahari, ia akan menghamburkannya dalam
warna putih sehingga akan tampak putih oleh pengamat.
Mengapa
langit berwarna merah-jingga pada pagi dan sore hari ?
Pada pagi dan sore hari
matahari berada di dekat horizon sehingga jarak antara matahari dengan pengamat
lebih jauh. Semakin jauh jarak tempuhnya maka akan semakin besar panjang
gelombang biru yang dihamburkan dan warna hijau-merah yang sebelumnya sedikit
terhamburkan kini mulai terhamburkan secara signifikan. Pada sore hari matahari
akan terlihat merah atau jingga. Hal ini disebabkan karena adanya cahaya
matahari yang sampai ke mata sudah dikurangi panjang gelombang biru-ungu-hijau
dan sedikit jingga, sehingga awan tampak merah-jingga oleh pengamat. Pada sore
hari warna langit akan kuning-kemerahan karena keberadaan molekul dan partikel
kecil disekitar matahari yang memantulkan cahaya matahari. Ketika cahaya ini
berjalan menempuh mata, panjang gelombang pendek (biru-ungu) akan dihamburkan
keluar. Sehingga yang sampai adalah panjang gelombang yang lebih panjang yaitu
merah-jingga-kuning dan bercampur membentuk sunset.
