Mengapa langit berwarna biru?

Contoh penghamburan Rayleigh yang paling terkenal adalah atmosfer Bumi yang memberi warna biru di langit. Adalah Leonardo da Vinci yang sekitar tahun 1500an, menduga pertama kali alasan mengapa langit berwarna biru, khususnya dalam pengamatannya kalau asap kayu terlihat biru saat diamati pada latar belakang hitam (Jackson, 1998). Efek ini akhirnya dijelaskan secara kuantitatif tahun 1899 oleh Lord Rayleigh yang namanya diambil untuk menjelaskan fenomena ini.

Penghamburan Rayleigh terjadi saat sinyal yang datang memiliki panjang gelombang, ?, yang jauh lebih besar dari panjang gelombang resonansi dari elektron yang terikat dalam sebuah atom atau molekul. Untuk sinar optik yang menimpa partikel dengan transisi ultraviolet, ini juga berarti kalau  ? jauh lebih besar dari ukuran partikel yang menghambur. Karena ketergantungan yang kuat dari penampang lintang hamburan pada panjang gelombang. Panjang gelombang yang lebih pendek, yaitu cahaya biru (cahaya ungu lebih terhamburkan lagi, tapi mata kita lebih sensitif pada biru daripada ungu), akan lebih mudah menghambur daripada panjang gelombang panjang (merah). Cahaya biru memiliki panjang gelombang ? mendekati 470 nanometer dan, karena molekul yang paling berlimpah di atmosfer, yaitu nitrogen dan oksigen, berukuran sekitar 0.3 nanometer, penghamburan atmosfer jelas tergolong penghamburan Rayleigh. Partikel debu yang kecil juga berperan, namun penghamburan dominan disebabkan oleh molekul dan langit akan tetap terlihat biru bahkan tanpa adanya debu.

Untuk geometri seperti dalam gambar  1 berikut, cahaya biru lebih mungkin menghambur kedalam garis pandangan pengamat daripada cahaya merah. Akibatnya, matahari yang kuning menghasilkan langityang biru bagi pengamat di bumi. Walau tidak terlalu jelas, langit malam juga berwarna biru. Walau lemahnya cahaya di langit malam membuatnya mustahil dikenali oleh mata, exposure dalam waktu lama dapat mengungkapkan warnanya. Lihat gambar 2.

Gambar 1. Saat pengamat berada dalam medium penghambur yang acak, cahaya dapat masuk ke matanya dari semua arah bahkan walaupun sumber asli cahaya hanya berasal dari satu arah saja

Gambar 2. Sebuah potret exposure waktu selama 69 detik mengungkapkan warna biru pada langit malam.

Bila tidak ada atmosfer, langit siang akan berwarna hitam, kecuali di tempat adanya matahari itu sendiri. Fakta kalau atmosfer di hari yang cerah bersifat transparan bermakna bahwa sebagian besar foton bergerak menembusnya tidak dihalangi dan hanya sedikit yang mengalami hamburan. Inilah mengapa, pada hari yang cerah, kecemerlangan matahari jauh lebih besar daripada kecemerlangan langit yang biru.

Untuk geometri seperti pada gambar 3, cahaya biru lebih mungkin dihamburkan keluar dari garis pandang daripada warna merah. Karenanya, setiap benda pemancar cahaya di atas atmosfer bumi akan terlihat memerah dan juga memudar, karena penghamburan Rayleigh. Matahari menjadi lebih merah daripada warna aslinya bahkan saat ia masih tinggi. Bila garis pandang menembus atmosfer lebih panjang, seperti saat melihat matahari terbit atau tenggelam (lihat gambar 4), maka warna memerah lebihdiperkaya dan lebih jelas bagi mata (penghamburan dari debu, uap air dan molekul besar juga dapat berperan dalam pemerahan). Efek yang sama dapat diamati untuk benda lain seperti bulan, planet atau bintang. Walau begitu, foton yang terhambur secara individual sendiri memiliki panjang gelombang yang sama dengan foton yang datang, karenanya walaupun penghamburan Rayleigh tergantung panjang gelombang, ia masih merupakan bentuk penghamburan elastik.

Gambar 3. Contoh penghamburan acak

Gambar 4. Matahari terbit terlihat merah, sama seperti saat tenggelam

Penghamburan Rayleigh menghasilkan cahaya terpolar sama halnya dengan penghamburan Thompson (lihat gambar 5). Bahkan walau matahari memancarkan cahaya yan tidak terpolar, misalnya, cahayanya yang terhambur akan terpolarkan pada sudut pandang 90 derajat, sebagaimana kita buktikan dengan melihat ke dekat cakrawala dengan saringan polarisasi saat matahari ada di atas kepala. Seperti halnya hamburan Thompson, hamburan Rayleigh memberi cara melihat sumber dengan melihat pada ‘cerminannya’, walaupun dibebani oleh ketergantungan panjang gelombang   . Karenanya mungkin melihat spektrum matahari dengan mengarahkan spektrometer pada satu posisi di langit jauh dari posisi matahari itu sendiri. Garis Fraunhofer matahari (garis Fraunhofer matahari adalah garis penyerapan yang terbentuk dalam fotosfer matahari), misalnya, dapat dilihat dengan mudah lewat cara ini. Cahaya optik yang kabur dalam sebuah nebula refleksi (lihat gambar 6) juga akan terpolarisasi.

Gambar 5. Geometri proses polarisasi akibat hamburan Rayleigh atau Thompson

Gambar 6. Nebula refleksi di sekitar bintang terang, Merope, salah satu bintang di kluster bintang Pleiades.

Langit berwarna biru dapat dikontraskan dengan warna yang lebih abu-abu dari tetesan air di awan. Karena tetesan air tidaklah kecil dibanding panjang gelombang cahaya, penghamburan dari partikel ini bukanlah rezim hamburan Rayleigh. Ketergantungan panjang gelombang dari penghamburan partikel besar lebih datar daripada penghamburan Rayleigh, karenanya warna awan terlihat abu-abu.

Gambar 7. Awan berwarna abu-abu

Referensi

1. Jackson, J. D. Classical Electrodynamics, 3rd Ed., John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 1998
2. Meeks, M.L. 1976. Astrophysics. Academic Press
3. Rossing, T.D., Chiaverina, C.J. 1999. Light science: Physics and the  visual arts. Birkhauser.

Gaya Gravitasi

Mengapa kita tetap berpijak di atas permukaan bumi? Mengapa setiap benda yang jatuh selalu menuju pusat bumi? Mengapa bulan tetap mengelilingi bumi dan bumi bersama-sama bulan mengelilingi matahari? Mengapa demikian?
Disadari atau tidak, seringkali kita tidak memahami pengalaman kita hidup di dunia ini. Tentang ‘sesuatu’ yang menyebabkan kita tetap lekat di permukaan bumi. Apakah sesuatu itu? Mengapa sesuatu itu ada? Bagaimana cara ia bekerja?

Suatu pertanyaan sederhana seringkali memerlukan pemikiran yang mendalam untuk memperoleh jawabannya. Dan mungkin, sedikit sekali yang berupaya sungguh-sungguh, karena hal itu tampaknya sesuatu yang “biasa” dalam kehidupan sehari-hari. Kecuali anak-anak yang polos dan lugu serta ingin tahu yang seringkali mengusik kita dengan pertanyaan-pertanyaan mereka yang spontan tentang segala sesuatu yang mereka lihat dan rasakan. Yang terkadang terkesan lucu namun menyenangkan. Diantaranya mengapa benda jatuh selalu ke “bawah”?

Penjelasan yang kita terima seperti mereka juga belumlah tuntas, bahkan mungkin hingga saat ini. Sebenarnya, setiap orang tentu mengalami pengaruh gravitasi. Demikian juga dengan semua benda yang ada di sekitar kita. Walau tanpa kita sadari, semua benda yang terdiri dari partikel materi saling berinteraksi tarik-menarik satu sama lain. Gravitasilah yang memungkinkan kita tetap nyaman tinggal di permukaan bumi dan kita dapat menikmati indahnya cahaya bulan purnama di malam hari, juga kemilaunya sinar matahari di waktu senja dan pagi hari. Tanpa gravitasi, kita semua akan beterbangan “hilang” dalam ruang makrokosmos yang teramat luas akibat rotasi bumi. Tanpa gravitasi, bumi yang kita huni, bulan dan matahari serta planet-planet yang mengisi ruangan jagat raya ini akan berhamburan dalam gerak acak yang tak beraturan. Bersyukurlah kita, bahwasannya Allah telah menciptakan gravitasi sehingga kita pun mengalami proses kehidupan yang harmonis dengan lingkungan alam kita.
Namun, apakah “gravitasi” itu? Sejauh ini telah banyak usaha yang dilakukan untuk memahami fenomena gravitasi. Sejarah mengatakan, mula pertama gagasan gravitasi dipahami dan dijelaskan oleh tuan Isaac Newton dalam Philosophiae Naturalis Principia Mathematica yang sering juga disebut Principia yang muncul pertama kali tahun 1687 (walaupun sebenarnya gagasan gravitasi tersebut telah diperolehnya 22 tahun sebelumnya) yang antara lain menjelaskan hukum gravitasi universal di samping mengemukakan teori bagaimana benda bergerak dalam ruang dan waktu.
Hukum gravitasi universal menjelaskan bagaimana benda berinteraksi tarik-menarik. Gagasan hukum gravitasi universal dapat kita pahami sebagai berikut,”tiap benda dalam jagat raya ditarik ke arah semua benda lain oleh suatu gaya yang makin kuat dengan makin besarnya massa benda-benda itu, dan dengan dekatnya benda itu satu sama lain”. Artinya, setiap partikel materi yang berada di dalam jagat raya ini saling tarik-menarik satu sama lain yang besarnya gaya tarik-menarik tersebut bertambah besar bila jaraknya semakin dekat dan kandungan massa dari tiap-tiap partikel materi tersebut bertambah banyak.
Meskipun pengalaman kita hidup sehari-hari tidak merasakan hal demikian, hal ini dikarenakan oleh adanya kenyataan bahwa gaya gravitasi itu teramat lemah, sehingga pengaruh yang ditimbulkannya amat kecil untuk dapat kita rasakan.
Seiring dengan usaha pemahaman atas gaya interaktif lain yang ada di jagat raya ini, konsep medan telah diperkenalkan oleh ilmuwan fisika masyhur, Michael Faraday pada akhir abad 19 yang berusaha memahami gaya interaktif partikel bermuatan elektrik yang kita kenal sekarang sebagai gaya elektromagnetik (gagasan “partikel” untuk dunia mikroskopis adalah suatu model saja). Konsep medan ini kemudian dibuat umum hingga kemudian diterapkan juga pada gagasan gravitasi tuan Newton, yang dikenal dengan konsep medan gravitasi.
Konsep medan gravitasi ini memandang setiap partikel materi sebagai pengubah ruang medan gravitasi. Medan ini beraksi pada setiap partikel materi lain yang berada di dalam medan tersebut, yang seolah-olah “mengerahkan” gaya tarikan gravitasi pada partikel materi tersebut. Medan ini memainkan peranan perantara dalam pemikiran kita mengenai gaya-gaya interaksi di antara partikel-partikel materi.
Mungkin kita jadi berpikir, bahwa bila setiap partikel materi yang berada dalam medan gravitasi telah berusaha untuk mengerahkan daya tarikan gravitasi pada setiap partikel materi lain, maka terdapat “sesuatu” yang menjadi penghubung sehingga terjadi interaksi antar partikel-partikel materi.
Pengenalan konsep kuantum dan penelitian mutakhir dari partikel elementer memungkinkan pemahaman yang jauh lebih baik daripada sebelumnya mengenai mekanisme gravitasi. Hasilnya adalah, diduga ada “partikel interaktif” yang dikenal dengan nama graviton sebagai pembawa gaya gravitasi yang memungkinkan partikel-partikel materi berinteraksi. Partikel interaktif tersebut tidak memiliki massa, bersifat maya-karena belum ada kenyataan eksperimental yang menemukan partikel interaktif tersebut. Karena graviton tidak bermassa, maka sebagai akibatnya ia dapat dipertukarkan pada jarak yang jauh sekali yang meliputi seluruh volume ruang jagat raya. Sebagai ilustrasi, berapa “keliling” jagat raya ini bila dikatakan bahwa di dalamnya terdapat sekitar 100 milyar galaksi yang tiap-tiap galaksi berisi sekitar 100 milyar bintang! Jumlah ini adalah suatu pendekatan saja, boleh jadi jumlah yang sebenarnya melebihi aproksimasi di atas. Sementara itu, dari pengamatan yang dilakukan terdeteksi bahwa antar galaksi saling bergerak menjauhi satu sama lain mirip dengan balon karet yang kita tiup, dengan kecepatan yang semakin bertambah besar dengan bertambah jauhnya jarak antar galaksi. Menurut prediksi, bahkan hal ini akan tetap berlangsung sekitar 5 atau 10 milyar tahun lagi.

Meskipun gaya gravitasi mempunyai kekuatan yang lemah bila dibandingkan dengan gaya-gaya lain yang terdapat di jagat raya ini, ia dapat mempunyai kekuatan yang sangat besar, bila kita meninjau suatu misal, sebuah objek langit yang mengalami pemampatan materi dan telah kehilangan energi termonuklirnya yang ia pergunakan untuk melangsungkan hidup, akan mengalami pengerutan yang sangat hebat. Bintang yang ambruk tersebut akan mengerut mencapai ukuran yang sangat kecil karena efek tarikan gravitasinya yang sangat kuat. Objek semacam inilah yang sering kita kenal sebagai lubang hitam, suatu objek yang menjadi perhatian utama saat ini dikarenakan ia memiliki sifat-sifat yang diramalkan dari teori kuantum dan teori relativitas umum, yang aneh, menawan dan menakjubkan. Mungkin sulit bagi kita untuk membayangkan terdapatnya objek yang demikian sangat rapat, bila suatu misal, dalam sebuah kelereng yang berdiameter dua cm mengandung sejumlah massa 80 milyar ton! Bintang yang mempunyai massa sekian itu akan terus-menerus mengerut dalam ukuran yang semakin kecil dan semakin rapat. Tarikan gravitasinya bahkan mampu menarik cahaya yang lewat mendekatinya.
Struktur atom dan struktur inti lubang hitam tidak lagi seperti yang telah kita kenal dalam teori atom dan teori nuklir, karena tarikan gravitasi telah menarik awan elektron di sekeliling inti dan menembusnya! Sifat-sifat apakah yang terjadi dan hukum bagaimanakah yang mampu menjelaskan adanya fenomena seperti itu, hingga saat ini masih dalam perumusan para fisikawan dunia. Dan akan selalu menjadi bahan kajian yang menarik karena ia merupakan aspek penting dalam pemahaman kita terhadap alam semesta, kelahiran serta proses evolusinya secara keseluruhan dalam suatu pemahaman utuh yang menunjukkan kebesaran Allah Yang Maha Rahman dalam menciptakan jagat raya ini.

PENTINGNYA GEOGRAFI

Geografi adalah ilmu tua sejak peradaban manusia di muka bumi ini ada, tapi mungkin para penghuni tidak pernah tidak pernah menyadari bahwa geografi itu salah satu dasar ilmu atau ataupun ilmu dasar dari berbagai ilmu, karena memang  ilmus emua ada di geogarfi.