Fenomena Optik di Atmosfer

Aurora

Aurora merupakan pancaran cahaya pada langit daerah lintang tinggi, sebagai akibat atas pembelokan partikel angin matahari oleh magnetosfer ke arah kutub, serta adanya reaksi dengan molekul-molekul atmosfer.

Matahari, atau Bintang merah yang menjadi pusat orbit planet-planet wilayah tatasurya ternyata hanyalah satu diantara milyaran bintang lainnya di galaksi bimasakti. Pada inti pusatnya, ia memiliki suhu 14 juta kelvin dengan tekanan 100 milyar kali lipat tekanan atmosfer di bumi. Cahaya yang dipancarkan matahari berasal dari reaksi fusi termonuklir yang terjadi pada inti bintang. Secara konveksi, energi hasil reaksi fusi tersebut dialirkan ke permukaan. Dari aliran konveksi tersebut, tercipta medan magnet yang sangat kuat di permukaan matahari. Daerah-daerah medan magnet tersebut relatif gelap (lebih dingin) dari pada sekitarnya, sehingga ia dinamakan bintik matahari atau sunspot.

Menurut beberapa ahli astronomi, sunspot ini dianggap sebagai bendungan pasir pada arus air yang liar, nah ketika kekuatannya sudah tak sanggup lagi menahan tekanan arus, maka ia akan ‘jebol’. ‘Jebol’nya sunspot ini akan memuntahkan kandungan energi yang disalurkan sebagai arus proton atau elektron. Energi yang dilontaran keluar matahari tersebutlah  yang disebut sebagai angin matahari. Jika dengan intensitas yang besar maka dinamakan badai matahari.

Proses terjadinya angin matahari. Dimulai dengan terbentuk nya sunspot yang menciptakan medan magnet. Karena kekuatan sudah tak sanggup lagi menahan tekanan arus, maka ia akan ‘jebol’. Jebol nya sunspot ini akan memuntahkan kandungan energi yang disalurkan sebagai arus proton atau elektron.

Perjalanan angin matahari menuju bumi, dapat ditempuh selama 18 jam hingga 2 hari perjalanan antariksa. Ketika melewati Merkurius dan Venus, angin matahari akan langsung begitu saja menerpa atmosfernya, sehingga planet tersebut mengalami peningkatan suhu yang luar biasa akibat dari terpaan aliran proton dan elektron yang dibawanya. Namun demikian, lain halnya ketika angin matahari itu menghantam bumi.

Bumi ini bagaikan magnet yang berukuran sangat besar, dengan kutub-kutub magnetnya hampir berdekatan dengan kutub geografis bumi. Sehingga bumi ini dilapisi oleh medan magnet (magnetosfer) yang berbentuk sebuah perisai yang mirip dengan buah apel, dimana bumi berada pada inti buahnya dan magnetosfer berada pada kulit buah apel.magnetosfer ini terdiri dari beberapa lapisan, dengan lapisan terbawahnya, sabuk radiasi van allen yang berada di sekitar ekuator (khatulistuwa). Layaknya sebuah perisai, magnetosfer dan sabuk van allen melindungi bumi dari terpaan partikel angin matahari.

Ketika angin matahari menerpa magnetosfer, partikel-partikel angin matahari dibelokkan dan tertarik menuju kutub medan magnet bumi. Semakin tinggi energi partikel, maka semakin dalam lapisan magnetosfer yang berhasil ditembus olehnya. Aliran partikel yang tertarik ke kutub medan magnet bumi akan bertumbukan dengan atom-atom yang ada di atmosfer. Energi yang dilepaskan akibat reaksi dari proton dan elektron yang bersinggungan dengan atom-atom di atmosfer, dapat dilihat secara visual melalui pendar cahaya yang berwarna-warni di langit, atau yang kita kenal sebagai Aurora. Di kutub utara bumi, aurora ini disebut sebagai aurora borealis, dan di kutub selatan, disebut sebagai aurora australis.

Reaksi antara partikel angin matahari dengan atmosfer bumi, menghasilkan berbagai macam warna pada aurora. Perbedaan warna ini dipengaruhi oleh jenis atom yang berinteraksi dengan proton dan elektron, mengingat pada ketinggian-ketinggian tertentu, jenis atom penyusun atmosfer tidaklah sama. Pada ketinggian di atas 300 km, partikel angin matahari akan bertumbukan dengan atom-atom hidrogen sehingga terbentuk warna aurora kemerah-merahan. Semakin turun, yakni pada ketinggian 140 km, partikel angin matahari bereaksi dengan atom oksigen yang membentuk cahaya aurora berwarna biru atau ungu. Sementara itu, pada ketinggian 100 km proton dan elektron bersinggungan dengan atom oksigen dan nitrogen sehingga aurora tervisualisasikan dengan warna hijau dan merah muda.

Crepuscular Ray dan Anticrepuscular Ray

Crepuscular Ray adalah cahaya yang muncul terpancar dari suatu titik di langit (biasanya matahari). Crepuscular ray muncul melalui celah-celah awan atau benda lain dan tiap sinar di pisahkan oleh bagian gelap. Sedangkan Anticrepuscular Ray adalah kebalikan dari crepuscular ray, yaitu sinar yang memancar dari matahari berkumpul di titik anti solar, yaitu titik yang berlawanan dengan tempat matahari berada.

Sun dog dan Moon dog

Sun dog  atau matahari palsu adalah bintik cahaya terang di langit yang biasanya muncul bersamaan dengan halo. Sun dog terlihat seperti matahari karena terang namun biasanya lebih kecil dari matahari. Sun dog sering disalahartikan sebagai matahari lain yang ada di langit dan kadang-kadang menjadi matahari terbit palsu yaitu sebuah peristiwa yang jarang terjadi karena matahari yang asli sebenarnya belum terbit. Sedangkan moon dog adalah bulan palsu yang muncul di langit saat bulan purnama muncul. Sama seperti sun dog, moon dog juga muncul bersamaan dengan halo, namun moon dog terjadi lebih jarang karena cahaya bulan kurang terang dan bulan mengalami pergantian fase.

Pelangi

Proses terjadinya pelangi bermula dari ketika cahaya matahari melewati sebuah tetes hujan yang kemudian dibelokkan atau dibiaskan menuju tengah tetes hujan tersebut, yang memisahkan cahaya putih itu menjadi sebuah warna spektrum. Kemudian, warna-warna yang terpisah ini memantul di belakang tetes hujan dan memisah lebih banyak lagi saat meninggalkannya. Akibatnya, cahaya tampak melengkung menjadi kurva warna yang disebut sebagai pelangi. Cahaya dengan panjang gelombang terpendek seperti ungu, terdapat di bagian kurva dan yang memiliki panjang gelombang terpanjang seperti merah terdapat pada bagian luar.

Pada abad ke-17, ilmuwan inggris, Isaac Newton, (1642 -1727) menemukan bahwa cahaya putih matahari sebenarnya adalah campuran dari cahaya berbagai warna. Dia menyorotkan sedikit sinar matahari melalui sebuah prisma kaca berbentuk segitiga (balok kaca) dalam sebuah ruang gelap. Bentuk prisma tersebut membuat berkas sinarnya membelok dan kemudian memisah menjadi suatu pita cahaya yang lebar. Di dalam pita ini, Newton melihat tujuh warna yang disebut spektrum. Warna-warna ini adalah merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu (sebutan mudahnya “mejikuhibiniu”).

Semua cahaya bergerak dalam bentuk gelombang. Panjang gelombang adalah yang menentukan warna cahaya tersebut. Kadang, sebuah pelangi kedua yang lebih redup dapt terlihat di atas pelagi utama karena cahaya telah dipantulkan atau dibiaskan lebih dari sekali di dalam tetes-tetes air hujan. Warna-warna pelangi kedua ini terbalik, merah di dalam dan ungu diluar. Warnanya tidak pernah secerah pelangi utama karena setiap kali cahaya dipantulkan, ada sedikit cahaya yang hilang.

Pada tahun 1852, ilmuwan Jerman, Ernst Von Brycke, menyatakan bahwa warna biru langit diakibatkan oleh partikel-partikel di atmosfer yang menyebarkan cahaya matahari saat memasuki atmosfer. Kemudian, dua fisikawan Inggris, Lord Rayleigh (1842-1919) dan John Tyndall (1820-1893) mempunyai penjelasan lain. Rayleigh berpendapat bawah bagian biru dari cahaya matahari disebarkan oleh debu dan uap air, tetapi dia salah. Molekul udara sendirilah yang menyebarkan cahaya. Meskipun demikian kita masih menyebut jenis penyeberan ini sebagai efek Tyndall, atau penyebaran Rayleigh, sesuai dengan nama kedua ilmuwan tersebut.

Pelangi dan efek cahaya lain di langit disebabkan oleh cahaya yang membias dan menyimpang menjauhi partikel. Saat Matahari terbenam, langit menjadi merah karena sinar matahari lewat melalui atmosfer yang jauh lebih tebal daripada ketika matahari berada tinggi di langit pada siang hari. Cahaya biru disebarkan diluar jalur cahaya, dan kita melihat panjang gelombang yang lebih merah.

Halo

Halo Matahari adalah lingkaran pelangi yang mengelilingi Matahari. Halo juga bisa terjadi di sekitar Bulan pada malam hari. Fenomena halo ini disebabkan pembiasan cahaya Matahari oleh uap air di atmosfer sehingga terlihat seperti pelangi.

Proses terbentuknya Halo Matahari sama seperti proses terbentuknya pelangi, hanya dalam hal ini tidak mengandung air, sehingga yang tampak hanya bayangan saja berbentuk cincin. Ketika musim hujan, partikel uap air ada yang naik hingga tinggi sekali di atmosfer. Partikel air memiliki kemampuan untuk membelokkan atau membiaskan cahaya matahari. Apabila hal tersebut terjadi saat posisi matahari sedang tegak lurus dengan bumi, maka akan terbentuk lingkaran gelap disekitar matahari. Hal ini disebabkan saat matahari pada posisi tegak lurus terhadap bumi kemampuan partikel air membiaskan cahaya lebih kecil sehingga warna yang terlihat sangat terbatas. Warnanya terlihat gelap karena pandangan ke arah matahari juga terhalang debu.

Berbeda dengan proses terbentuknya pelangi yang sering terjadi di pagi atau sore hari yang membentuk sudut kemiringan. Pada posisi yang miring ini, kemampuan partikel air membiaskan cahaya lebih besar, sehingga warna-warna yang muncul juga lebih lengkap. Jika terjadi pada pagi hari, udara masih dalam keadaan bersih sehingga akan tampak warna kemerahan.