Fisika Menjawab: Mengapa Langit Berwarna Biru?

Mengapa langit berwarna biru pada siang hari dan merah-kuning pada sore hari, sedangkan warna matahari kadang terlihat putih, kuning, dan merah pada waktu waktu yang berbeda? Saat mempelajari ilmu fisika yang begitu luas, terutama fisika optik, jawabannya saya temukan dalam teori hamburan, khususnya hamburan elastis oleh partikel yang memiliki diameter dibawah satu persepuluh dari panjang gelombang penghamburnya (matahari). Fenomena hamburan elastis ini dikenal dalam dunia fisika dengan jargon Hamburan Rayleigh. Penjelasan singkatnya:

1. Matahari memancarkan gelombang elektromagnetik dalam semua spektrum cahaya tampak, mulai dari mejikuhibiniu yakni merah hingga ungu (dan non visibel semacam UV dan IR dll.) dengan spektum maksimal di ranah panjang gelombang biru.

2. Karena matahari memancarkan semua spektrum cahaya tampak jika tidak ada partikel penghambur, warna matahari akan tampak putih (gabungan semua warna). Ini sebabnya astronot di luar angkasa melihat matahari berwarna putih (Tidak semua bintang berwarna putih, tergantung temperaturnya) dan ruang angkasa didominasi warna hitam.

3. Saat cahaya putih ini memasuki atmosfer bumi ia akan dihamburkan secara elastis oleh partikel nitrogen dan oksigen di atmosfer. Elastis artinya tidak ada perubahan penjang gelombang yang datang dengan yang dihamburkan (energi tetap). Karena diameter partikel penghambur ini lebih kecil dari sepersepuluh panjang gelombang matahari, proses fisika yang terjadi adalah hamburan Rayleigh

4. 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 violet lebih kecil dari warna lainnya dan karena spektrum matahari maksimal di panjang gelombang biru maka dari semua rentang visibel yang dihamburkan oleh atmosfer kita akan melihat campuran yang paling dominan yakni banyak sekali biru plus violet plus sedikit warna warna lainnya yang kemudian tampak sebagai biru cerah.

5. Warna matahari di siang hari sering terlihat kuning, ini disebabkan kita melihat spektrum putih matahari yang sudah melewati partikel penghambur dengan banyak hamburan di warna biru dan violet sehingga warna matahari yang terlihat bukan putih tetapi kekuningan (putih minus biru-violet).

6. Pada jarak dekat (misalnya vertikal dengan matahari) warna matahari akan tampak lebih putih, ini disebabkan cahaya matahari yang mengenai mata kita tidak banyak melewati partikel penghambur sehingga masih mengandung campuran semua warna (putih).

7. Pada saat kabut partikel gas atau debu di udara (diameter lebih dari sepersepuluh panjang gelombang sehingga bukan hamburan elastis) menyerap dan memblokir warna dominan biru yang dihamburkan oleh nitrogen dan oksigen sehingga di beberapa tempat hamburan biru tidak sampai ke mata kita.

8. Awan terlihat putih karena partikel uap air memiliki diameter diatas sepersepuluh panjang gelombang matahari sehingga yang terjadi adalah hamburan yang tidak bergantung secara dominan pada panjang gelombang. Dalam fisika ini dikenal sebagai teori hamburan Mie, sehingga ketika partikel awan terkena sinar putih matahari ia akan menghamburkannya dalam warna putih sehingga tampak putih oleh pengamat.

9. Pada sore hari matahari berada didekat horizon sehingga jarak tempuh ke pengamat lebih jauh. Semakin jauh jarak tempuh maka semakin banyak panjang gelombang biru, violet yang dihamburkan (seperti ketimun yang dipotong miring), dan warna hijau dan merah yang sebelumnya sedikit dihamburkan kini mulai signifikan.

10. Pada sore hari warna matahari akan terlihat merah atau oranye karena cahaya matahari yang sampai ke mata kita kini sudah dikurangi panjag gelombang biru, violet, dan hijau, plus bisa juga sedikit oranye sehingga awalnya tampak oranye, dan kemudian merah di mata pengamat.

11. Warna langit kuning kemerahan di sore hari karena keberadaan molekul debu dan partikel kecil disekitar matahari yang memantulkan cahaya matahari. Saat cahaya ini menempuh jalan menuju mata kita, panjang gelombang pendek (biru dan violet) dihamburkan keluar sehingga yang sampai adalah panjang gelombang yang lebih panjang yakni ada yang merah, oranye, dan kuning bercampur baur membentuk sunset beauty.

Sumber