Cahaya datang dari udara menuju kaca. Jika sudut datang 450, berapakah besar sudut bias r ?

Mengapa langit berwarna biru? Sebagian kita mungkin menjawab, “sudah takdir…” Jawaban ini tidak salah, tapi apa tidak lebih baik kita juga meraba bagaimana takdir tersebut terjadi? Dalam banyak ayat, Allah menantang manusia untuk menggunakan pikiran agar dapat mengagumi ayat-ayat (tanda-tanda) kekuasaan-Nya. Afala ta’kiluun? Apakah kalian tidak menggunakan akalnya (untuk mencerna tanda-tanda kekuasaan-Ku?)

Kali ini kita akan mencoba mengkaji persoalan ini secara ilmiah. Mengapa langit berwarna biru? Apa dalang dari fenomena ini? Yap…untuk menjawab pertanyaan ini paling tidak kita perlu mengkaji dua hal, yakni tentang atmosfer dan karakter cahaya. Hal ini mengingat fenomena langit berwarna biru melibatkan kedua komponen tersebut. Cahaya yang datang dari matahari akan mengalami hamburan ketika melewati partikel yang mengisi atmosfer. Tanpa atmosfer, maka langit kita akan gelap sepanjang hari. Hal ini karena tidak ada molekul yang dapat menghamburkan cahaya ke berbagai arah. Dalam keadaan semacam itu, bintang dapat dilihat di siang hari dan cahaya matahari dapat dilihat hanya jika kita melihatnya secara langsung. Keadaan ini persis sama dengan keadaan dari berbagai planet lain di tata surya matahari yang tidak memiliki atmosfer.
ATMOSFER
Atmosfer merupakan percampuran dari berbagai gas dan molekul yang melingkupi permukaan bumi. Komponen utamanya adalah gas nitrogen (78%) dan oksigen (21%). Selebihnya, atmosfer terisi oleh gas argon, air (baik dalam bentuk uap air maupun kristal es), dan berbagai partikel padat seperti debu, partikel-partikel sisa pembakaran (polutan), dan juga garam (terutama untuk daerah di atas permukaan laut).
Komposisi atmosfer bervariasi tergantung lokasinya.  Pada daerah permukaan laut, atmosfer banyak mengandung air dan garam. Pada daerah industri, atmosfer akan banyak diisi berbagai partikel sisa pembakaran. Kerapatan atmosfer juga bervariasi menurut ketinggiannya. Daerah dasar atmosfer memiliki tingkat kerapatan yang paling tinggi. Nilainya akan terus menurun dengan pertambahan ketinggian atmosfer.
CAHAYA
Cahaya merupakan energi yang diradiasikan melalui suatu gelombang. Gelombang yang dimaksud adalah gelombang elektromagnetik (gelombang em). Dinamakan seperti itu karena gelombang tersebut dibangun oleh getaran medan listrik dan medan magnet secara serentak secara saling tegak lurus. Arah perjalanan gelombang untuk masing-masing medan dapat ditunjukan pada Gambar 1.
Cahaya tampak yang terdiri dari merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu hanyalah sebagian kecil dari radiasi gelombang em. Masing-masing warna memiliki panjang gelombang dan frekuensi yang khas. Artinya, warna suatu cahaya tergantung pada nilai panjang gelombang dan frekuensinya. Panjang gelombang dan frekuensi memiliki nilai yang berkebalikan, warna dengan frekuensi tinggi berarti memiliki panjang gelombang yang pendek. Semakin tinggi frekuensi, semakin besar energinya. Berdasarkan Gambar 2, warna merah memiliki panjang gelombang yang paling panjang (700 nm), artinya ia memiliki frekuensi yang paling rendah dan dengan demikian energinya juga paling rendah jika dibandingkan dengan cahaya tampak yang lain.
Jika matahari meradiasikan seluruh panjang gelombang cahaya tampak (Mejikuhibiniu), mengapa yang kita lihat matahari berwarna putih? Yap..cahaya putih yang kita lihat tersebut sebenarnya tersusun dari keseluruhan cahaya tampak yang ada. Artinya, jika seluruh warna pada cahaya tampak bergabung menjadi satu, maka yang terlihat adalah warna putih. Kita dapat memecah warna ini dengan cara melewatkannya di suatu prisma kaca. Percobaan ini pertama kali dilakukan oleh newton, ia melewatkan cahaya putih pada suatu prisma, ternyata pada ujung perjalanannya cahaya putih telah berubah menjadi susunan warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, ungu. Peristiwa ini dikenal sebagai dispersi cahaya.
HAMBURAN CAHAYA
Ketika cahaya putih (yang di dalamnya terkandung mejikuhibiniu) diradiasikan dari matahari dan melewati atmosfer, maka cahaya putih tersebut akan mengalami beberapa peristiwa. Pertama, cahaya tersebut akan diserap oleh berbagai molekul yang mendiami atmosfer. Kedua, setelah diserap cahaya tersebut akan dilepaskan kembali ke atmosfer. Peristiwa inilah yang kita sebut sebagai hamburan cahaya. Pada peristiwa penyerapan bisa dibilang tidak ada sesuatu yang menarik. Namun pada saat cahaya dilepas dari molekul, muncul suatu fenomena yang menarik untuk dianalisis. Ternyata cahaya dengan energi yang besar (frekuensi besar) akan diradiasikan lebih banyak daripada cahaya dengan energi rendah (frekuensi rendah). Melalui analisis yang detail diperoleh hubungan bahwa jumlah energi yang diradiasikan pada peristiwa hamburan adalah sebanding dengan pangkat empat frekuensinya. Sehingga jika diketahui panjang gelombang ungu adalah 400 nm dan merah adalah 700 nm, maka perbandingan pangkat empat frekuensi kedua cahaya (Ungu : Merah) dapat dihitung sebesar (700 nm/400 nm)^4 dan diperoleh 9,4. Artinya cahaya ungu diradiasikan 9 kali lebih banyak daripada cahaya merah. Itulah sebabnya pada siang hari kita tidak melihat langit berwarna merah, melainkan biru. Tapi mengapa biru? Bukankah ungu memiliki frekuensi yang lebih tinggi dan oleh karenanya semestinya paling banyak diradiasikan? Mengapa langit tidak berwarna ungu?
Untuk menjawab pertanyaan ini, kita perlu melibatkan ilmu tentang mata sebagai alat indra yang digunakan untuk melihat. Di dalam retina mata terdapat tiga reseptor warna, yakni reseptor merah, biru, dan hijau. Masing-masing reseptor sensitif untuk masing-masing warna. Sehingga ketika ada beberapa warna mesuk ke retina secara bersamaan, maka masing-masing warna akan ditangkap oleh reseptor yang sesuai.
Nah..pada peristiwa hamburan cahaya, berdasarkan nilai frekuensinya maka warna biru dan ungu adalah warna yang paling banyak dihamburkan. Namun langit tampak berwarna biru karena di dalam retina terdapat sel reseptor biru yang lebih sensitif untuk menangkap warna biru ketimbang ungu. Akibatnya, kesan warna yang paling dominan untuk dilihat adalah biru. Demikianlah mengapa langit berwarna biru. Semoga bermanfaat…

Mekanika Benda Langit

Orang di zaman yunani telah mampu membedakan antara planet dengan bintang dengan mengamati pola gerakannya. Jika bintang beredar secara “sederhana” mengitarai bumi dari timur ke barat, maka  ada benda langit yang bergerak seolah seperti “pengembara”, yakni bergerak dengan pola yang agak rumit: dari timur ke barat ke timur lalu ke barat lagi. Benda yang bergerak dengan pola yang rumit semacam ini disebut sebagai planet (sang pengembara). Belakangan diketahui pola gerak yang rumit semacam itu karena ada gerak retrogade planet (sudah di pelajari pada materi tata surya).
Sebelum era kopernikus, orang masih menganggap bahwa bumi merupakan pusat alam semesta. Bulan, Planet, matahari dan bintang semuanya bergerak mengelilingi Bumi. Untuk menjelaskan gerakan planet yang rumit, mereka beranggapan bahwa sambil mengitarai bumi, para planet beredar mengelilingi suatu titik membentuk orbit lingkaran. Jadi, Planet memiliki dua gerak: 1) gerakan melingkar mengelilingi suatu titik, dan pada saat bersamaan 2) Planet bergerak mengitari bumi. Sehingga terkadang planet tampak mundur. Agaknya penjelasan ini cukup memuskan.
Namun observasi kepler memberikan jawaban lain yang lebih memuaskan tentang berbagai fenomena gerak benda langit. Dengan ketiga hukumnya yang terkenal: kepler mencoba merubah cara pandang orang tentang fenomena gerak benda-benda langit. Namun, Kepler walaubagaimanapun belum mampu menunjukan bukti matematis dari masing-masing hukum yang ia kemukakan. Baru pada waktu-waktu berikutnya, Newton mampu memberikan penjelasan matematis atas setiap hukum kepler.
Bagaiaman Newton menurunkan persamaan matematis untuk menjelaskan hukum kepler? Bagaimana hasil observasi dibuktikan secara matematis? Ikuti perjalanannya dengan mengunduh file berikut, semoga bermanfaat: Klik Di sini untuk mengunduh materi.
Kepada para mahasiswa, silakan KLIK DI SINI untuk mengunduh soal-soal latihan Mekanika Benda Langit.

Langit Tampak Jingga Ketika Sore, Kenapa?

Jika sore telah tiba dan kebetulan hari cukup cerah, tidak ada salahnya kalau kita mengarahkan pandangan ke ufuk barat. Sebuah pemandangan indah sedang dipertontonkan Allah untuk setiap hamba-Nya, yakni langit yang berwarna jingga kemerah-merahan. Sungguh sebuah pemandangan yang menakjubkan dan kerap kali membuat kita semakin menyadari betapa luar biasa sang pencipta. Dialah yang menciptakan langit dan bumi, siang dan malam dengan segala keindahan dan keistimewaan yang menyertainya. Namun pernahkah kita bertanya, apakah ada penjelasan ilmiah mengapa langit berwarna jingga ketika sore hari?
Setelah pada bagian sebelumnya kita mengkaji mengapa langit berwarna biru, kini kita akan coba mengembangkan kajian tentang “mengapa langit di ufuk barat nampak berwarna jingga ketika sore hari menjelang magrib?” Persoalan ini masih ada hubungannya dengan kajian langit biru di siang hari.
Sebelum ini telah diketahui bahwa, pada siang hari ketika cahaya putih melewati atmosfer maka cahaya putih tersebut akan mengalami hamburan. Yakni, cahaya biru dan ungu (karena memiliki frekuensi paling tinggi di antara warna-warna yang lain) akan dihamburkan lebih banyak daripada warna merah, jingga, dan kuning. Pertanyaannya, lalu apa yang terjadi dengan warna merah, jingga dan kuning tersebut? Bagaimana nasibnya? Kemana ia pergi?
Nah…jawaban dari pertanyaan ini akan membawa kita pada pemahaman mengapa langit di ufuk barat tampak berwarna jingga pada sore hari menjelang magrib. Kenapa demikian? Ya…karena ketika warna biru dan ungu sudah lebih banyak dihamburkan, maka warna-warna dengan frekuensi kecil seperti merah, jingga, dan kuning tetap bergerak lurus melewati atmosfer. Akibatnya, pada belahan bumi yang lebih timur, orang sudah tidak lagi dapat melihat warna biru dan ungu karena sudah dihamburkan. Saat itu, orang pada belahan bumi yang lebih timur hanya akan melihat “sisa” warna yang belum terhamburkan. Siswa warna yang masih ada adalah percampuran antara merah, jingga, dan kuning. Itulah sebabnya mengapa langit tampak berwarna merah ketika sore hari.
Secara lebih deskriptif, Gmabar berikut barangkali akan lebih memperjelas pemahaman kita.

warna matahari berbeda di pagi, siang, dan sore hari menunjukkan adanya pengaruh difraksi cahaya matahari oleh atmosfer bumi. di pagi dan sore hari, cahaya matahari harus menembus atmosfer yang lebih tebal daripada di siang hari.

padahal di atmosfer, cahaya matahari dihamburkan oleh partikel-partikel yang ada. namun hanya cahaya biru yang terkena efeknya karena panjang gelombangnya yang pendek. akibatnya, hanya warna merah yang bisa kita lihat ketika pagi dan sore hari. hamburan yang terjadi itu disebut dengan hamburan rayleigh.

dan karena penyebab yang sama pula, langit di siang hari akan terlihat biru.
.Saat matahari terbit dan terbenam maka langit sebagian akan berwarna berwarna merah, langit berwarna biru, dan cahaya langit terpolarisasi (paling tidak sebagian). Fenomena ini dapat dijelaskan atas dasar penghamburan cahaya oleh molekul atmosfer. Penghamburan cahaya oleh atmosfer bumi bergantung kepada panjang gelombang. Untuk partikel-partikel yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang cahaya (seperti molekul udara), partikel-pertikel tersebut tidak merupakan rintangan yang besar bagi panjang gelombang yang panjang dibandingkan bagi yang pendek. Penghamburan berkurang, cahaya merah dan jingga dihamburkan lebih sedikit dari biru dan ungu, yang merupakan penyebab langit berwarna biru. Pada saat matahari terbenam, dipihak lain, berkas cahaya matahari melewati panjang atmosfer maksimum. Banyak dari warna biru yang telah dikeluarkan dengan penghamburan. Cahaya yang mencapai permukaan bumi berarti kekurangan biru, yang merupakan alasan matahari terbenam berwarna kemerahan. Langit hanya berwarna biru di siang hari. Ada beberapa sebab mengapa langit saat itu berwarna biru. Bumi diselubungi lapisan udara yang disebut atmosfer. Walaupun tidak tampak, udara sebenarnya terdiri atas partikel-partikel kecil. Cahaya dari matahari dihamburkan oleh partikel-partikel kecil dalam atmosfer itu. Tetapi kita tahu, cahaya dari matahari terdiri dari paduan semua warna, dari merah, kuning, hijau, biru, hingga ungu. Warna-warna itu memiliki frekuensi yang berbeda. Merah memiliki frekuensi yang lebih kecil dari kuning, kuning lebih kecil dari hijau, hijau lebih kecil dari biru, biru lebih kecil dari ungu. Semakin besar frekuensi cahaya, semakin kuat cahaya itu dihamburkan. Warna langit adalah sebagian cahaya matahari yang dihamburkan. Karena yang paling banyak dihamburkan adalah warna berfrekuensi tinggi (hijau, biru, dan ungu), maka langit memiliki campuran warna-warna itu, yang kalau dipadukan menjadi biru terang. Karena warna biru banyak dihamburkan, maka warna matahari tidak putih sempurna, seperti yang seharusnya terjadi jika semua warna dipadukan. Warna matahari menjadi sedikit agak jingga. Pada sore hari, sering matahari berubah warna menjadi merah. Pada saat itu, sinar matahari yang sudah miring menempuh jarak lebih jauh untuk mencapai mata kita, sehingga semakin banyak cahaya yang dihamburkan. Sehingga yang banyak tersisa adalah cahaya frekuensi rendah, yaitu merah. Di bulan dan di planet yang tidak memiliki atmosfir, cahaya matahari tidak dihamburkan, sehingga langit selalu berwarna hitam, walaupun di siang hari. Efek Tyndall juga dapat menerangkan mengapa langit pada siang hari berwarna biru, sedangkan ketika matahari terbenam di ufuk barat berwarna jingga atau merah. Hal tersebut dikarenakan penghamburan cahaya matahari oleh partikel-partikel koloid di angkasa, dan tidak semua frekuensi sinar matahari dihamburkan dengan intensitas yang sama. Oleh karena intensitas cahaya berbanding lurus dengan frekuensi, maka ketika matahari melintas di atas kita, frekuensi paling tinggilah yang banyak sampai ke mata kita, sehingga kita melihat langit biru. Ketika matahari hampir terbenam, hamburan cahaya yang frekuensinya yang rendahlah yang lebih banyak sampai ke kita, sehingga kita menyaksikan langit berwarna jingga atau merah. Kita ingat untaian cahaya tampak dalam spektrum cahaya, merah-jingga-kuning-hijau-biru-ungu. Dari urutan merah sampai ungu, frekuensinya semakin tinggi. Jadi warna-warna yang mendekati merah memiliki frekuensi cahaya tinggi, dan warna-warna yang mendekati ungu memiliki frekuensi cahaya rendah.