Mengapa langit berwarna biru? Begini penjelasan sains

ZONAUTARA.com – Jika anda mendatangi Sulawesi Utara dan pergi ke wilayah kepulauan saat cuaca sedang cerah, anda akan dibuat kagum dengan warna biru pada langit.

Pemandangan serupa akan anda jumpai di beberapa wilayah di Indonesia. Tetapi beberapa daerah di Indonesia seperti di Jakarta, akan sulit menemukan waktu saat langit berwarna biru.

Mengapa langit berwarna biru?. Pertanyaan ini kerap dilontarkan orang saat kagum dengan warna langit yang memesona.

Banyak jawaban yang diberikan atas pertanyaan mengapa langit berwarna biru, dan banyak yang salah memberikan jawaban, seperti langit berwarna biru karena pantulan dari warna laut yang biru.

Jawaban yang salah lainnya adalah karena oksigen berwarna biru atau karena sinar matahari yang berwarna biru.

Setidaknya ada tiga faktor yang menyebabkan langit terlihat berwarna biru, yakni panjang gelombang sinar matahari, karakteristik molekul atmosfer Bumi dan kepekaan mata manusia.

Sinar Matahari terdiri dari semua warna cahaya dengan spektrum yang berbeda. Fotosfer Matahari kita sangat panas, hampir 6.000 K, sehingga memancarkan spektrum cahaya yang luas, dari ultraviolet, ungu hingga merah, hingga ke bagian inframerah.

Cahaya energi tertinggi merupakan cahaya dengan panjang gelombang terpendek (dan frekuensi tinggi), sedangkan cahaya energi yang lebih rendah memiliki panjang gelombang yang lebih panjang (dan frekuensi rendah).

Ketika anda melihat prisma membagi sinar matahari menjadi komponen-komponen individualnya, cahaya lebih biru nampak memiliki panjang gelombang yang lebih pendek daripada cahaya yang lebih merah.

Fakta bahwa cahaya dengan panjang gelombang berbeda merespons interaksi dengan materi secara berbeda terbukti sangat penting dan berguna dalam kehidupan kita sehari-hari.

Lubang-lubang besar di peralatan microwave memungkinkan cahaya dengan panjang gelombang pendek masuk dan keluar, tetapi tetap menjaga cahaya gelombang mikro yang lebih panjang masuk dan memantulkannya.

Lapisan tipis pada kacamata hitam anda memantulkan sinar ultraviolet, ungu, dan biru, tetapi membiarkan warna hijau, kuning, jingga, dan merah dengan panjang gelombang lebih panjang melewatinya.

Dan partikel kecil tak terlihat yang membentuk atmosfer kita — molekul seperti nitrogen, oksigen, air, karbon dioksida, serta atom argon — semuanya menyebarkan cahaya dari semua panjang gelombang, tetapi secara efisein menyebarkan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek.

Karena molekul-molekul ini semuanya jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya itu sendiri, semakin pendek panjang gelombang cahaya, semakin baik ia menyebar.

Faktanya, secara kuantitatif, ia mematuhi hukum yang dikenal sebagai hamburan Rayleigh, yang mengajarkan kita bahwa cahaya ungu pada batas panjang gelombang pendek penglihatan manusia menyebar lebih dari sembilan kali lebih sering daripada cahaya merah pada batas panjang gelombang panjang. (Intensitas hamburan berbanding terbalik dengan panjang gelombang pangkat empat:  I ^-4 .)

Sementara sinar Matahari jatuh di mana-mana di sisi siang atmosfer Bumi, panjang gelombang cahaya yang lebih merah hanya 11% lebih mungkin untuk menyebar, dan karena itu mata anda seperti melihat cahaya ungu.

Saat Matahari tinggi di langit, seluruh langit akan nampak berwarna biru. Semakin jauh dari Matahari akan tampak biru cerah, karena ada lebih banyak atmosfer untuk dilihat (dan karena itu lebih banyak cahaya biru) di arah tersebut.

Ke segala arah yang anda lihat, anda dapat melihat cahaya yang tersebar yang berasal dari sinar matahari yang menyinari keseluruhan atmosfer di antara mata anda dan batas imajiner luar angkasa. Kondisi ini memiliki beberapa konsekuensi menarik untuk warna langit, tergantung di mana Matahari berada dan ke mana Anda melihat.

Jika Matahari berada di bawah cakrawala, semua cahaya harus melewati atmosfer dalam jumlah besar. Cahaya yang lebih biru akan tersebar ke segala arah, sedangkan cahaya yang lebih merah jauh lebih kecil kemungkinannya untuk tersebar, yang berarti cahaya tersebut sampai ke mata anda.

Jika anda pernah naik pesawat setelah matahari terbenam atau sebelum matahari terbit, anda bisa mendapatkan pemandangan spektakuler dari efek ini.

Ini adalah pemandangan yang spektakuler dari luar angkasa, sebagaimana deskripsi dan gambar yang diambil oleh astronot.

Saat matahari terbit/terbenam atau bulan terbit/terbenam, cahaya yang datang dari Matahari (atau Bulan) itu sendiri harus melewati sejumlah besar atmosfer; semakin dekat ke cakrawala, semakin banyak atmosfer yang harus dilalui cahaya. Sementara cahaya biru tersebar ke segala arah, cahaya merah menyebar jauh lebih efisien.

Ini berarti bahwa baik cahaya dari piringan Matahari (atau Bulan) itu sendiri berubah menjadi warna kemerahan.

Dan selama gerhana Matahari total, ketika bayangan Bulan jatuh di atas anda dan mencegah sinar Matahari langsung mengenai sebagian besar atmosfer di dekat anda, cakrawala berubah menjadi merah, tetapi tidak berubah di tempat lain.

Cahaya yang mengenai atmosfer di luar jalur gerhana total tersebar ke segala arah, itulah sebabnya langit masih tampak biru di sebagian besar tempat. Namun di dekat cakrawala, cahaya yang tersebar ke segala arah kemungkinan besar akan tersebar lagi sebelum mencapai mata anda.

Cahaya merah adalah panjang gelombang cahaya yang paling mungkin untuk dilewati, yang pada akhirnya melampaui cahaya biru yang tersebar secara lebih efisien.

Dari penjelasan di atas, anda mungkin memiliki satu pertanyaan lagi: jika cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek dihamburkan lebih efisien, mengapa langit tidak tampak ungu?

Sebenarnya memang ada lebih banyak cahaya ungu yang berasal dari atmosfer daripada cahaya biru, tetapi ada juga campuran warna lain. Karena mata manusia memiliki tiga jenis kerucut (untuk mendeteksi warna) di dalamnya, bersama dengan sel batang monokromatik, akan memberi sinyal yang perlu ditafsirkan oleh otak saat menentukan warna.

Setiap jenis kerucut, ditambah monokromatik, kepekaaan terhadap cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda, semuanya dirangsang sampai tingkat tertentu oleh langit.

Mata manusia merespon lebih kuat terhadap panjang gelombang cahaya biru, cyan, dan hijau daripada ungu. Meskipun ada lebih banyak cahaya ungu, itu tidak cukup untuk mengatasi sinyal biru yang kuat yang diberikan oleh otak kita.

Ini adalah ringkasan dari tiga hal dalam penjelasan di atas:

1. fakta bahwa sinar matahari terdiri dari cahaya dengan panjang gelombang yang berbeda,
2. bahwa partikel atmosfer sangat kecil dan menyebarkan cahaya dengan panjang gelombang yang lebih pendek jauh lebih efisien daripada cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang,
3. dan bahwa mata kita memiliki respons terhadap berbagai warna,

Ketiga hal ini yang membuat langit tampak biru bagi manusia. Jika kita bisa melihat ke ultraviolet dengan sangat efisien, langit kemungkinan akan tampak lebih ungu dan ultraviolet; jika mata kita hanya memiliki dua jenis kerucut (seperti pada anjing), kita bisa melihat langit biru di siang hari, bukan merah, jingga, dan kuning saat matahari terbenam.

Tapi jangan tertipu: ketika anda melihat Bumi dari luar angkasa, itu juga nampak biru, meski tidak ada hubungannya dengan atmosfer.