GEJALA OPTIK (Fisika Lanjutan)

A.     PROSES TERJADINYA PELANGI

Pelangi merupakan salah satu pemandangan indah yang jarang kita lihat. Jika dilihat, bentuk pelangi seperti busur di langit biru yang muncul karena pembiasan dari sinar matahari ketika hujan Kira-kira di mana ya pelangi bisa terlihat? Biasanya pelangi bisa dilihat di daerah pegunungan atau ketika mendung atau ketika hujan baru berhenti turun. Pelangi merupakan satu-satunya gelombang elektromagnetik yang dapat kita lihat. Ia terdiri dari beberapa spektrum warna. Warna merah memiliki panjang gelombang paling besar, sedangkan violet memiliki panjang gelombang terkecil.

Pelangi berasal dari cahaya putih dibiaskan menjadi berbagai panjang gelombang cahaya yang terlihat oleh mata kita sebagai merah, jingga, kuning, hijau, biru, dan ungu. Panjang gelombang cahaya ini membentuk pita garis-garis paralel, tiap warna bernuansa dengan warna di sebelahnya. Pita ini disebut “spektrum”. Di dalam spektrum, garis merah selalu berada pada salah satu ujung dan biri serta ungu disisi lain, dan ini ditentukan oleh perbedaan panjang gelombang. Ketika kita melihat pelangi, sama saja dengan ketika kita melihat spektrum. Bahkan, pelangi adalah spketrum melengkung besar yang disebabkan oleh pembiasan cahaya matahari.

Ketika cahaya matahari melewati tetesan air, ia membias seperti ketika melalui prisma kaca. Jadi didalam tetesan air, kita sudah mendapatkan warna yang berbeda memanjang dari satu sisi ke sisi tetesan air lainnya. Beberapa dari cahaya berwarna ini kemudian dipantulkan dari sisi yang jauh pada tetesan air, kembali dan keluar lagi dari tetesan air. Cahaya keluar kembali dari tetesan air kearah yang berbeda, tergantung pada warnanya. Dan ketika kita melihat warna-warna ini pada pelangi, kita akan melihatnya tersusun dengan merah di paling atas dan ungu di paling bawah pelangi. Pelangi hanya dapat dilihat saat hujan bersamaan dengan matahari bersinar, tapi dari sisi yang berlawanan dengan si pengamat. Posisi kita harus berada diantara matahari dan tetesan air dengan matahari dibekalang kita. Matahari, mata kita dan pusat busur pelangi harus berada dalam satu garis lurus.

Faktor-faktor terjadinya gejala pelangi :

Terjadinya pelangi adalah pembiasan cahaya. Ketika dibiaskan, cahaya akan berubah arah. Biasanya pembelokan ini terjadi ketika cahaya pindah dari medium satu ke yang lain. Hal ini terjadi karena cahaya bergerak dengan kecepatan berbeda dalam medium berlainan.

Ketika memasuki prisma kaca, cahaya akan dibelokkan. Begitu pula jika keluar dari prisma. Selain membiaskan cahaya, prisma memisahkan cahaya putih menjadi komponen warnanya. Warna cahaya yang berlainan ini berbeda frekuensinya, sehingga memiliki kecepatan tempuh berbeda ketika memasuki suatu zat.

Cahaya yang kecepatannya rendah di dalam kaca akan dibelokkan lebih tajam ketika pindah dari udara ke kaca, karena perbedaan kecepatannya berlainan. Tak mengherankan jika komponen yang membentuk cahaya putih dipisahkan berdasarkan frekuensinya ketika melewati kaca. Pada prisma, cahaya akan dibelokkan dua kali, ketika masuk dan keluar, sehingga penyebaran cahaya terjadi.

Tetesan air hujan dapat membiaskan dan menyebarkan cahaya mirip sebuah prisma. Dalam kondisi yang tepat, pembiasan cahaya ini membentuk pelangi.

  

B.      PROSES TERJADINYA HALO MATAHARI

Ada berbagai macam halo, tapi umumnya halo muncul disebabkan oleh kristal es pada awan cirrus yang dingin yang berada 5–10 km atau 3–6 mil di lapisan atas troposfer. Fenomena ini bergantung pada bentuk dan arah kristal es, cahaya matahari direfleksikan dan dibiaskan oleh permukaan es yang berbentuk batang atau prisma sehingga sinar matahari menjadi terpecah kedalam beberapa warna karena efek dispersi udara dan dipantulkan ke arah tertentu, sama seperti pada pelangi.

Halo juga kadang-kadang dapat muncul di dekat permukaan bumi, ketika ada kristal es yang disebut debu berlian. Kejadian ini dapat terjadi pada cuaca yang sangat dingin, ketika kristal es terbentuk di dekat permukaan dan memantulkan cahaya.

Sebelum ilmu meteorologi dikembangkan, Fenomena atmosfer Halo digunakan sebagai sarana untuk prakiraan cuaca.

Fenomena optis lain yang disebabkan oleh kristal es di angkasa adalah pelangi.Halo merupakan suatu fenomena optik yang terjadi di alam dan biasa terjadi pada musim penghujan.

            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 di atmosfer.

            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 Nampak warna kemerahan.

C.      PROSES TERJADINYA FATAMORGANA

Kata fatamorgana diambil dari bahasa Italia, dari nama seorang saudari Raja rthur yaitu Faye le Morgana, Konon, ia merupkan seorang peri yang dapat berubah-ubah rupa. Namun sebenarnya dalam peristiwa fatamorgana terdapat suatu konsep Fisika yang kadang terlupakan yaitu konsep pembiasan.

Fatamorgana sering terjadi di gurun pasir, jalan-jalan beraspal, dan lautan. Dalam kajian fisika, prinsip terjadinya fatamorgana berawal dari proses pembiasan yang terjadi pada dua medium melalui lapisan-lapisan udara yang memiiki perbedaan suhu.

Proses terjadinya fatamorgana berawal dari adanya perbedaan kerapatan antara udara dingin dan udara panas. Udara dingin memiliki kerapatan lebih pekat dan lebih berat dibandingkan udara panas. Dalam kenyataannya, lapisan udara yang panas yang ada di dekat tanah terperangkap oleh lapisan udara yang lebih dingin di atasnya. Cahaya dibiaskan ke arah garis horisontal pandangan dan akhirnya berjalan ke atas karena pengaruh internal total.

Pemantulan internal total (total internal reflection) adalah proses pemantulan seberkas cahaya pada permukaan batas antara satu medium dengan medium yang lain yang indeks biasnya lebih kecil, jika sudut datang ke medium kedua melebihi suatu sudut kritis tertentu.

            Dengan demikian, cahaya berjalan di dalam medium yang memiliki indeks bias yang tinggi seperti air, kaca, dan plastik ke medium yang memiliki indeks bias lebih rendah seperti udara. Akibatnya gambar dengan sifat semu dan terbalik akan membentuk fatamorgana.

            Pada wilayah dengan cuaca yang cukup ekstrem seperti pada pasang pasir yang bersuhu, panas atau padang es yang sangat dingin akan mudah kita jumpai fenomena alam ini. Fatamorgana terjadi karena pembiasan cahaya layaknya proses terjadinya pelangi, karena melalui kepadatan yang berbeda, sehingga bisa membuat sesuatu terlihat menjadi seolah-olah ada padahal hal tersebut tidak ada.

            Misalnya pada gurun pasir seringkali terlihat fatamorgana seperti danau atau air, padahal Ini sebenarnya merupakan pantulan cahaya dari langit yang mengenai udara panas kemudian dipantulkan. Udara panas ini bekerja seperti fungsi cermin yang juga bisa terjadi pada tanah lapang ketika cuaca sangat panas.

Kemudian pada proses terjadinya fatamorgana dalam fisika, bisa dijelaskan sebagai berikut :

1.      Diawali dengan adanya perbedaan kerapatan antara udara dingin dan udara panas.

2.      Udara dingin memiliki kerapatan yang lebih pekat dan lebih berat, sedangkan udara panas tersebut memiliki kerapatan yang lebih rendah.

3.      Pada peristiwa fatamorgana ini terjadi, keadaan lapisan udara yang panas yang berada dekat dengan tanah akan terperangkap oleh lapisan udara yang lebih dingin di atasnya.

4.      Sehingga cahaya mengalami pembiasan ke arah garis horizontal pada pandangan dan akhirnya berjalan ke atas karena pengaruh internal total.

5.      Kemudian pemantulan internal total (total internal reflection) ini merupakan proses pemantulan seberkas cahaya pada permukaan batas antara satu medium dengan medium yang lain, yang memiliki indeks bias yang lebih kecil.

6.      Dengan demikian, cahaya berjalan di dalam medium yang memiliki indeks bias yang tinggi seperti air, kaca, dan plastik ke medium yang memiliki indeks bias lebih rendah seperti udara.

7.      Yang berakibat menimbulkan gambar dengan sifat semu dan terbalik dan membentuk fatamorgana.

D.     MENGAPA LANGIT BERWARNA BIRU PADA PAGI HARI

Untuk menjawab hal tersebut, satu hal yang perlu kita pelajari adalah tempat dimana kita tinggal: Bumi. Bumi kita diselubungi oleh lapisan udara yang disebut atmosfer — yang di dalamnya terdiri dari berbagai macam gas dan molekul seperti nitrogen, oksigen, uap air, dan debu.

Setiap hari, Matahari memancarkan cahayanya ke Bumi. Pada dasarnya, cahaya Matahari terdiri dari berbagai variasi panjang gelombang yang ketika terpancarkan menghasilkan spektrum warna yang berbeda: merah-jinga-kuning-hijau-biru-nila-ungu (adik-adik pasti ingat ‘kan?). Spektrum warna tersebut juga memiliki frekuensi yang berbeda: cahaya merah memiliki frekuensi yang paling rendah dan cahaya ungu memiliki frekuensi yang paling tinggi.

 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.

Ketika cahaya Matahari menembus atmosfer Bumi, ada beberapa peristiwa yang terjadi. Pertama, cahaya Matahari diserap oleh molekul-molekul di atmosfer Bumi. Kemudian, yang menarik, adalah kejadian setelah penyerapan, dimana cahaya tersebut dilepaskan kembali ke atmosfer — peristiwa yang sering disebut sebagai hamburan cahaya (scattering).

            Saat cahaya matahari 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.

 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.

E.      MENGAPA LANGIT BERWARNA ORANGE PADA SORE HARI

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.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.

Silahkan dilihat gambar berikut :

Jika kita perhatikan, maka lintasan yang ditempuh oleh cahaya matahari sore (lingkaran merah) untuk sampai ke mata pengamat (kotak coklat) akan lebih panjang dari lintasan yang di tempuh oleh cahaya matahari siang (lingkaran kuning).

Jarak tempuh cahaya matahari siang di wakili oleh panah hijau. Terlihat jelas kalau jarak tempuh cahaya matahari pagi dan sore jauh lebih panjang dari jarak tempuh matahari siang.

Adalah fakta yang sudah kita ketahui bersama jika cahaya matahari terdiri dari banyak spektrum warna (jembatan keledai: Me-Ji-Ku-Hi-Bi-Ni-U), merah-jingga-kuning-hijau-biru-nila-ungu. Jika seluruh cahaya ini bersatu seperti power rangers dan terlihat secara bersamaan oleh mata kita, maka ia akan terlihat sebagai cahaya putih.

Untuk lebih sederhananya kita akan gunakan prinsip R-G-B (red-green-blue) yang sudah kita bahas ditulisan yang lampau.

Kombinasi R-G-B akan memberikan warna putih. Kombinasi R-G akan memberikan warna kuning. Jika intensitas R lebih besar dari intensitas G, maka akan diperoleh warna jingga.

Atmosfer bumi sebagian besar mengandung oxygen dan nitrogen. Oxygen dan nitrogen ini memiliki ukuran yang sangat kecil dan memiliki kemampuan untuk menyebarkan  cahaya (bahasa aslinya “scatering”) dengan panjang gelombang yang pendek (cahaya biru dan violet).

Pada sore hari, cahaya matahari melintas dengan jarak yang jauh lebih panjang. Saking panjangnya,

• cahaya dengan panjang gelombang paling pendek (cahaya biru) akan di sebarkan ke mana-mana, dan akan sangat sedikit cahaya biru yang sampai ke pengamat baik jika dia melihat langit ataupun lingkaran matahari
• cahaya hijau yang memiliki panjang gelombang di tengah juga akan ikut tersebarkan.
• cahaya merah yang memiliki gelombang paling panjang akan paling sedikit disebarkan. Jadi sebagian besar akan langsung sampai ke mata pengamat

Akibatnya apa yang terjadi,

Cahaya yag sampai ke pengamat baik di langit ataupun di lingkaran matahari adalah R dominan dengan G kurang dominan. Kombinasi warna ini memberikan kesan lingkaran matahari berwarna merah dominan ke arah jingga.

Daftar Pustaka

http://blogging.co.id/fatamorgana-pengertian-dan-proses-terjadinya (di akses tgl  19 mei 2014)

http://justluvmyself.blogspot.com/2010/06/fatamorgana-fakta-fisika.html ( di akses tgl 19 mei 2014)

http://id.wikipedia.org/wiki/Pelangi (di akses tgl 20 mei 2014)

http://ramabagus96.blogspot.com/2012/02/v-behaviorurldefaultvmlo.html (di akses tgl 20 mei 2014)

http://budakfisika.blogspot.com/2013/03/fisika-menjawab-mengapa-langit-berwarna.html (di akses 18 mei 2014)

http://indocropcircles.wordpress.com/2013/02/24/mengapa-langit-berwarna-biru.html (di akses tgl 18 mei 2014)

http://globesupernova.blogspot.com/2012/07/mengapa-langit-sore-berwarna-merah.html (di akses tgl 21 mei 2014)

http://hermawayne.blogspot.com/2009/02/mengapa-matahari-terlihat-kemerahan.html (di akses tgl 21 mei 2014)