Mengapa Langit Berwara 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