Penjelasan Tambahan
Catatan: postingan ini belum berisi tulisan asli, jadi bagian ini langsung membahas kenapa langit siang berwarna biru, kenapa senja berwarna jingga kemerahan, dan beberapa fakta terkait.
Cahaya matahari sebenarnya “putih”
Cahaya matahari terlihat putih, tetapi sebenarnya berisi campuran semua warna pelangi. Ini dibuktikan Isaac Newton sekitar tahun 1666 dengan prisma: cahaya putih terurai menjadi spektrum merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu.
Setiap warna punya panjang gelombang yang berbeda:
| Warna | Panjang gelombang (kira-kira) |
|---|---|
| Ungu | 380β450 nm |
| Biru | 450β495 nm |
| Hijau | 495β570 nm |
| Kuning | 570β590 nm |
| Jingga | 590β620 nm |
| Merah | 620β750 nm |
(1 nm = sepersejuta milimeter)
Hamburan Rayleigh: biru dihamburkan lebih banyak
Saat cahaya matahari masuk ke atmosfer, ia menabrak molekul gas (terutama nitrogen Nβ dan oksigen Oβ) yang ukurannya jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya. Molekul-molekul ini menghamburkan cahaya ke segala arah.
Fisikawan Inggris Lord Rayleigh (John William Strutt) merumuskan pada 1871 bahwa intensitas hamburan oleh partikel sangat kecil berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang:
intensitas hamburan β 1 / Ξ»β΄
Artinya, sedikit perbedaan panjang gelombang menghasilkan perbedaan hamburan yang besar. Bandingkan biru (450 nm) dengan merah (700 nm):
(700 / 450)β΄ β 5,9
Jadi cahaya biru dihamburkan sekitar 6 kali lebih kuat daripada cahaya merah. Cahaya biru yang terhambur ini datang ke mata kita dari seluruh penjuru langit, sehingga ke mana pun kita menengadah (selain ke arah matahari), langit tampak biru.
Beberapa tokoh yang berperan:
| Tahun | Tokoh | Kontribusi |
|---|---|---|
| 1859 | John Tyndall | Bereksperimen dengan cahaya yang melewati cairan berisi partikel halus dan mendapati cahaya terhambur tampak kebiruan (efek Tyndall) |
| 1871 | Lord Rayleigh | Merumuskan hukum hamburan 1/Ξ»β΄ |
| 1899 | Lord Rayleigh | Menunjukkan bahwa molekul udara sendiri, bukan hanya debu, sudah cukup untuk membuat langit biru |
| 1908β1910 | Marian Smoluchowski dan Albert Einstein | Menjelaskan hamburan lewat fluktuasi kerapatan molekul gas, menyempurnakan teori Rayleigh |
| 1908 | Gustav Mie | Merumuskan hamburan oleh partikel yang ukurannya sebanding atau lebih besar dari panjang gelombang (hamburan Mie) |
Kalau begitu, kenapa langit tidak ungu?
Menurut rumus Rayleigh, ungu (panjang gelombangnya lebih pendek) seharusnya terhambur lebih kuat daripada biru. Langit tetap tampak biru karena beberapa alasan:
- Matahari memancarkan lebih sedikit cahaya ungu dibanding biru, dan sebagian cahaya berpanjang gelombang pendek terserap di atmosfer atas.
- Mata manusia kurang peka terhadap ungu. Sel kerucut di retina paling peka pada sekitar 420 nm (kerucut S), 534 nm (kerucut M), dan 564 nm (kerucut L), dan kepekaan keseluruhan mata turun drastis di ujung ungu.
- Otak menggabungkan campuran warna yang masuk (banyak biru, ada ungu, sedikit hijau, dan lainnya) menjadi persepsi biru muda keputihan.
Jadi, langit “biru” adalah hasil kerja sama antara fisika atmosfer dan biologi mata kita.
Kenapa senja jingga kemerahan?
Saat matahari terbit atau terbenam, cahayanya harus menempuh lintasan atmosfer yang jauh lebih panjang untuk sampai ke mata kita. Di dekat cakrawala, panjang lintasan ini sekitar 38 kali lebih panjang dibanding saat matahari tepat di atas kepala.
Sepanjang perjalanan itu, sebagian besar cahaya biru sudah terhambur keluar dari berkas sinar sebelum sampai ke kita. Yang tersisa adalah warna berpanjang gelombang panjang: kuning, jingga, dan merah.
Warna senja makin dramatis kalau udara mengandung banyak partikel, misalnya debu, asap, atau aerosol dari letusan gunung berapi.
- Setelah letusan Krakatau (1883), langit di berbagai belahan dunia memperlihatkan senja merah menyala selama berbulan-bulan, sampai-sampai di Amerika Serikat (misalnya di Poughkeepsie, New York) pemadam kebakaran sempat dikerahkan karena orang mengira ada kebakaran besar.
- Ada hipotesis bahwa langit merah dalam lukisan The Scream karya Edvard Munch (1893) terinspirasi senja pasca-Krakatau. Hipotesis ini masih diperdebatkan; penjelasan lain menyebut awan nacreous (awan stratosfer berwarna-warni) atau sekadar ekspresi artistik.
Fakta bonus: biru saat senja ternyata dibantu ozon
Setelah matahari terbenam, langit di atas kepala kadang masih tampak biru tua. Menurut penelitian E. O. Hulburt (1953), warna biru di langit senja ini sebagian besar disebabkan penyerapan cahaya jingga-merah oleh ozon (pita serapan Chappuis), bukan hanya hamburan Rayleigh. Tanpa ozon, langit senja di zenit justru akan tampak keabu-abuan atau kekuningan.
Kenapa awan putih?
Butiran air di awan berukuran sekitar beberapa sampai puluhan mikrometer, jauh lebih besar dari panjang gelombang cahaya. Pada ukuran ini berlaku hamburan Mie, yang menghamburkan semua warna dengan kekuatan yang hampir sama. Campuran semua warna = putih.
Awan mendung tampak abu-abu gelap bukan karena warnanya berubah, tetapi karena awannya tebal sehingga sedikit cahaya yang tembus ke bawah.
Langit di tempat lain
| Tempat | Warna langit siang | Warna senja | Kenapa |
|---|---|---|---|
| Bumi | Biru | Jingga/merah | Hamburan Rayleigh oleh molekul Nβ dan Oβ |
| Bulan | Hitam | (tidak ada senja berwarna) | Hampir tidak punya atmosfer, jadi tidak ada yang menghamburkan cahaya |
| Mars | Kekuningan/kecokelatan (butterscotch) | Kebiruan | Atmosfernya tipis tapi penuh debu halus; debu ini menyerap biru di siang hari, sedangkan saat senja ia menghamburkan cahaya biru ke depan, dekat arah matahari (teramati oleh wahana NASA seperti Curiosity) |
Bonus: langit biru itu terpolarisasi
Cahaya yang dihamburkan molekul udara juga terpolarisasi, paling kuat di arah yang membentuk sudut 90Β° dari matahari. Kita tidak bisa melihatnya langsung, tetapi:
- Lebah dan beberapa serangga memakai pola polarisasi langit ini sebagai kompas untuk bernavigasi.
- Kacamata hitam polarisasi dan filter polarisasi kamera bisa membuat langit di foto tampak lebih biru gelap.
Ringkasnya
- Cahaya matahari berisi semua warna; tiap warna punya panjang gelombang berbeda.
- Molekul udara menghamburkan cahaya berpanjang gelombang pendek jauh lebih kuat (hamburan Rayleigh, β 1/Ξ»β΄), sehingga biru terhambur ke seluruh langit.
- Langit tidak tampak ungu karena matahari memancarkan lebih sedikit ungu, sebagian terserap, dan mata kita kurang peka terhadap ungu.
- Saat senja, cahaya melewati atmosfer jauh lebih panjang sehingga birunya habis terhambur, menyisakan jingga dan merah.
- Awan putih karena hamburan Mie menghamburkan semua warna secara merata.
- Di Mars kebalikannya: siang kecokelatan, senja kebiruan.
Rujukan:
- NASA Space Place β Why Is the Sky Blue?
- NASA/JPL β foto senja kebiruan di Kawah Gale, Mars, oleh rover Curiosity (dirilis Mei 2015).
- Hulburt, E. O. (1953). Explanation of the Brightness and Color of the Sky, Particularly the Twilight Sky. Journal of the Optical Society of America, 43(2), 113β118
- Strutt, J. W. (Lord Rayleigh) (1871). On the light from the sky, its polarization and colour. Philosophical Magazine, 41.