Mengapa langit biru - Pertanyaan yang sangat sulit dengan jawaban yang tidak enak. Jika Anda menghindari bahasa ilmiah, maka langit berwarna biru karena lampu merah tersebar paling sedikit daripada yang lain, dan ungu adalah yang terbesar.
Banyak orang tahu bahwa cahaya putih terdiri dari 7 warna primer: merah, oranye, kuning, biru, biru, hijau dan ungu. Setiap warna dapat berubah saat panjang gelombang berkurang. Jadi, misalnya, astronot yang berada di orbit dapat melihat Matahari yang agak putih dengan latar belakang hitam. Faktanya adalah bahwa para astronot melihat cahaya tanpa distorsi di ruang tanpa udara biasa, dan kita di Bumi memandang Matahari dengan "filter" yang diciptakan atmosfer kita.
Dan cahaya biru lebih baik tersebar di molekul udara terkecil, lebih dari pada panjang gelombang lainnya, karena ia bergerak seperti gelombang yang lebih pendek, yang lebih cenderung mengubah dan mengubah jalur mereka. Ini adalah alasan umum yang kita lihat langit biru di atas bumi.
Efek ini disebut efek Tyndall, tetapi lebih sering disebut hamburan Rayleigh. Rayleigh adalah orang yang mempelajari masalah secara lebih rinci dan merumuskan deskripsi matematisnya. Selain itu, jumlah total cahaya yang tersebar berbanding terbalik dengan kekuatan keempat dari panjang gelombang, jika molekul yang dipertimbangkan di sini cukup kecil. Di atmosfer tengah Bumi, cahaya biru tersebar lebih dari cahaya merah, 4 kali, yang mendekati sepuluh. Namun pada kenyataannya, semuanya tidak begitu sederhana. Hari ini kita “tahu” bahwa warna langit muncul langsung dari serpihan-serpihan kecil pada uap air.
Dari semua 7 warna spektrum, merah adalah yang paling tidak tersebar, sedikit lebih oranye, kuning, dll. Untuk alasan ini, saat matahari terbenam dan fajar, kita melihat matahari oranye-merah. Tetapi ketika ia naik lebih tinggi dan lapisan atmosfer menjadi lebih tipis dan lebih tipis, hamburan cahaya akan berkurang, yang berarti bahwa Matahari akan menjadi lebih putih dan lebih kuning.
Gagasan ini masih sangat populer, tetapi salah. Cahaya harus disebarkan pada molekul oksigen dan nitrogen yang lebih kecil. Bahkan, orang yang membuktikan ini dan menunjukkan bahwa hasil ini sesuai dengan pengamatan terkenal untuk Albert Einstein. Dia juga menyarankan bahwa fenomena hamburan cahaya bukan murni mekanis, tetapi lebih merupakan efek elektromagnetik atau bahkan kuantum, di mana foton cahaya yang tersebar mengubah energi mereka. Proses ini, bila dilihat pada tingkat molekuler, melibatkan apa yang disebut mode getaran molekul.
Dasi warna dan panjang gelombang
Apa yang terjadi jika kita melihat langit, menjauh darinya? Kemudian sinar merah akan melintas ke samping dan praktis tidak akan hilang. Sinar oranye akan menghilang sedikit, yang kuning lebih banyak, dan seterusnya, sampai cahaya ungu menghilang sebanyak mungkin. Jadi kita bisa melihat dengan Anda sesuatu di antara cahaya violet yang terlalu kuat dan merah yang sangat lemah, dengan kata lain suasana yang akan diekspresikan dengan jelas oleh cahaya biru.
Ini terjadi, misalnya, ketika oksigen memberikan energi tambahan ke foton yang tersebar lebih kecil atau dengan menghamburkan keadaan getaran molekul yang sebelumnya bersemangat, yang kemudian mentransfer energi getarannya ke foton kejadian. Singkatnya, beberapa partikel atmosfer menyebarkan cahaya karena adanya medan elektromagnetik gelombang cahaya, yang menginduksi momen dipol listrik dalam molekul-molekul ini.
Jadi mengapa terkadang langit barat atau timur bersinar dengan warna berbeda? Karena perubahan sementara dalam komposisi atmosfer. Jika, misalnya, ada banyak uap air di udara, molekul udara tengah lebih besar dan secara efektif dapat membubarkan juga lampu merah. Selain itu, ketika matahari rendah di langit, cahayanya harus melewati massa udara yang lebih tebal sebelum mencapai pengamat. Kemudian banyak partikel udara tidak hanya dapat menyebarkan sekali, tetapi juga menyebarkan kembali cahaya berkali-kali. Hasil akhir dari proses ini adalah campuran lengkap dari berbagai panjang gelombang dan arah sinar, sehingga pencahayaan yang efektif tampak lebih putih daripada biru.
- Ini menarik -
Seluruh proses ini sangat kompleks dan membutuhkan pengetahuan ilmiah. Seluruh sifat dari fenomena ini dijelaskan oleh orang Inggris John William Strett, Lord Rayleigh III pada tahun 1899.
Mengapa langit biru? - video
Ternyata sangat sedikit orang yang tahu jawaban dari pertanyaan yang tampaknya "selalu menggantung di udara." Seringkali anak bertanya tentang hal itu, tetapi orang dewasa tidak siap memberikan penjelasan. Banyak yang percaya bahwa pertanyaan ini berasal dari serangkaian pertanyaan yang sama sekali tidak bisa kita jawab, seperti "di mana akhir jagat raya." Ada orang yang percaya bahwa ini adalah warna campuran nitrogen dan oksigen, ketika ada banyak gas ini dan mereka disorot oleh matahari. Ada yang mengaitkan warna langit dengan pembiasan cahaya di lapisan atmosfer. Mereka yang merupakan murid yang sangat baik di sekolah akan mengatakan bahwa, kata mereka, udara menyebarkan warna biru lebih intensif daripada semua warna lain dari spektrum menurut hukum Rayleigh, sering tanpa memahami esensi dari hamburan ini. Ngomong-ngomong, pertanyaan tentang warna langit diputuskan oleh fisikawan hanya di abad kedua puluh. Karena itu, kita tidak perlu malu.
Jika udara lebih jauh tercemar oleh partikel kecil, matahari terbenam tampak lebih merah. Ini sangat sering terjadi di laut atau di kawasan industri besar. 
Namun, sedikit berbeda, ini adalah situasi dalam kasus planet lain. Para ilmuwan percaya bahwa warna kemerahan langit Mars adalah hasil dari keberadaan debu merah yang kaya zat besi dalam badai debu. Warna yang akurat tergantung pada kondisi cuaca aktual dan tampak lebih biru ketika atmosfer Mars relatif tenang. Tubuh surgawi ini hampir tidak memiliki atmosfer, sehingga cahaya tidak berdifusi sama sekali.
Dan meskipun masalah ini tidak berhubungan langsung dengan suhu, mari kita coba cari tahu. Kami tidak akan menggali jauh ke dalam fisika, tetapi kami akan mengingatkan Anda poin utama tentang cahaya dan udara.
Sinar matahari adalah campuran radiasi dari semua warna pelangi, yaitu gelombang elektromagnetik dengan frekuensi osilasi sedemikian rupa sehingga dapat memengaruhi retina mata manusia. Warna Violet sesuai dengan panjang gelombang 380 nm, merah - 720 nm. Di retina ada kerucut yang bertanggung jawab atas persepsi warna. Ada tiga jenis kerucut: biru (bertanggung jawab untuk rentang frekuensi tinggi), hijau (bertanggung jawab atas pertengahan) dan merah (untuk frekuensi rendah). Rentang sensitivitas kerucut tumpang tindih, tetapi maksimum jatuh pada warna tertentu.
Itulah mengapa langit bulan tampak hampir hitam, dan bayangannya sangat tajam. Cahaya yang bergerak ke tanah dari matahari terlihat putih atau kuning. Namun pada kenyataannya itu terdiri dari semua warna pelangi. Anda bisa melihatnya menggunakan prisma atau gelas. Ini memecah sinar matahari menjadi bagian pelangi.
Sinar matahari yang melewati kaca sudut akan menunjukkan bahwa itu terbuat dari semua warna. Memegang kertas putih di dekat prisma menunjukkan pelangi. Menggunakan gelas anggur yang diisi dengan air menciptakan pelangi di bawah sinar matahari. Ketika Anda melihat langit, Anda benar-benar melihat atmosfer Bumi. Ini adalah miliaran molekul kecil oksigen dan nitrogen yang melayang di langit. Molekul-molekul ini membentuk udara yang kita hirup.
Molekul udara dalam keadaan normal tidak memiliki muatan, mereka netral. Namun, mereka terdiri dari partikel bermuatan - elektron dan inti. Di bawah pengaruh medan listrik, nuklei digeser dalam satu arah, elektron - di yang lain, dan dipol dengan medan elektromagnetiknya sendiri diperoleh. Jika dipol jatuh ke medan elektromagnetik bolak-balik, maka ia mulai berosilasi, yaitu, muatan positif dan negatif dipindahkan bolak-balik dan dipol itu sendiri mulai memancarkan gelombang elektromagnetik. Dalam kasus kami, gelombang elektromagnetik sinar matahari menyebabkan molekul udara berubah menjadi dipol yang memancarkan gelombang elektromagnetik. Selain itu, arah studi dipol bisa bermacam-macam. Dengan hukum kekekalan energi, gelombang cahaya kehilangan intensitasnya ke arah semula. Ini adalah mekanisme utama hamburan cahaya di udara. Sebaliknya, ini bukan tentang hamburan, tetapi tentang emisi molekul udara oleh aksi cahaya. Kita melihat melalui atmosfer dan benar-benar melihat cahaya dari matahari dan cahaya yang dipancarkan oleh molekul atmosfer kita. Kenapa dia tidak putih, tapi biru?
Ketika sinar matahari memasuki atmosfer Bumi, cahaya biru dipantulkan ke semua arah. Ilustrasi hamburan sinar matahari karena molekul di atmosfer. Warna lain - merah, oranye, kuning - juga memantul dari molekul-molekul, tetapi cahaya biru yang paling banyak tersebar. Mata Anda peka terhadap cahaya biru, dan energi yang dipantulkan ini membuat langit tampak biru ketika kita melihatnya.
Jika Anda ingin menjelajahi subjek yang menarik ini secara lebih rinci, cobalah untuk menjelajahi bagian utama situs ini untuk melihat mengapa langit berwarna biru. Pada siang hari, langit tak berawan tampak biru, tetapi di pagi hari atau di malam hari berubah menjadi oranye menjadi merah. Rahasia duet warna ini adalah bagaimana sinar matahari tersebar di atmosfer.
Faktanya adalah bahwa intensitas radiasi dipol sebanding dengan kekuatan keempat dari frekuensi radiasi. Dipol yang dipancarkan paling intens adalah gelombang dengan frekuensi dan energi maksimum, sesuai dengan cahaya biru. Gelombang cahaya merah kurang berinteraksi dengan molekul udara. Yaitu ketika melewati atmosfer, ada semacam penyaringan warna putih di seluruh spektrum. Molekul udara memancarkan sebagian besar warna biru, yaitu cahaya yang menggairahkan kerucut retina biru dan hijau jauh lebih kuat daripada kerucut merah.
Palet langit memiliki banyak hal untuk ditawarkan: sebagai alternatif biru, putih dan abu-abu, kuning, merah dan oranye, dan jika Anda menambahkan pelangi, kegembiraan warna tampaknya tidak terbatas. Langit yang gila mendominasi siang hari dengan warna biru, meskipun di belakangnya terletak kegelapan alam semesta. Di malam hari yang indah, langit kemudian tenggelam ke dalam warna merah yang menakjubkan, meskipun matahari bersinar dalam warna yang sama seperti pada siang hari. Rahasia dari berbagai warna adalah bagaimana sinar matahari tersebar di atmosfer.
Cahaya matahari tampak putih kekuningan bagi kita, tetapi terdiri dari semua warna pelangi, dari ungu menjadi biru, hijau, kuning, oranye hingga merah. Masing-masing warna ini sesuai dengan radiasi elektromagnetik dari panjang gelombang tertentu. Panjang gelombang ini adalah terpendek untuk biru dan terpanjang untuk merah.
John Tindal adalah orang pertama yang mengambil langkah menuju penjelasan yang benar tentang warna langit pada tahun 1865. Ia menemukan bahwa ketika sinar cahaya melewati lingkungan di mana partikel-partikel kecil pengotor ditangguhkan, warna biru menghilang secara lebih intensif daripada merah. Hasilnya, kita melihat pewarnaan cahaya yang ditransmisikan dalam warna biru. Ini bisa diamati jika Anda melihat sisi seberkas cahaya yang melewati air, sedikit berkabut dengan susu. Jika Anda melihat bukan dari samping, tetapi ke arah balok, maka cahaya menjadi kemerahan, karena komponen biru menghilang.
Panjang gelombang yang berbeda sekarang memainkan peran penting ketika cahaya bertabrakan dengan molekul gas dalam perjalanannya melalui atmosfer, mengubah arahnya. Fisikawan berkata: cahaya telah tersebar. Setiap kali kita tidak melihat langsung ke matahari, kita hanya melihat cahaya yang menyebar ke mata kita pada beberapa putaran matahari. Oleh karena itu, warna cahaya yang berserakanlah yang menentukan warna langit.
Cahaya mencerai-beraikan di atmosfer, semakin kecil panjang gelombangnya. Cahaya biru karenanya lebih tersebar daripada merah. Ketika matahari tinggi, jalur sinar matahari di atmosfer agak pendek, sebagian besar tersebar biru, sehingga langit tampak biru di sore hari. Pada ketinggian rendah, jalur cahaya melalui atmosfer jauh lebih lama. Karena hamburan, komponen biru berkurang sehingga merah menang. Dengan demikian, langit berawan berwarna biru pada siang hari dan merah pada saat matahari terbit dan terbenam.
Beberapa tahun kemudian, ilmuwan Inggris Lord Rayleigh mempelajari efek ini lebih terinci. Dia menunjukkan bahwa intensitas hamburan cahaya pada partikel berukuran sangat kecil berbanding terbalik dengan kekuatan keempat dari panjang gelombang radiasi. Dari sini disimpulkan bahwa cahaya biru tersebar 10 kali lebih intens daripada merah.
Tyndall dan Rayleigh berpikir bahwa biru langit disebabkan oleh partikel debu dan uap air kecil di atmosfer. Kemudian, para ilmuwan menyadari bahwa jika ini benar, kita akan mengamati lebih banyak variasi warna langit secara signifikan dengan perubahan kelembaban, nebula, dan polusi udara daripada yang kita saksikan sekarang. Masalahnya dipecahkan oleh Einstein, yang pada tahun 1911 memperoleh formula yang menggambarkan hamburan cahaya oleh molekul. Formula mengkonfirmasi semua percobaan sebelumnya. Terbukti bahwa bukan debu dan uap, melainkan molekul udara yang menghamburkan cahaya, karena (sebagaimana disebutkan di atas) medan elektromagnetik cahaya memulai momen dipol listrik dalam molekul.
Dalam kasus hamburan cahaya di atmosfer, kita berbicara tentang hamburan Rayleigh, dinamai sesuai dengan fisikawan Inggris Lord Rayleigh. Hamburan rayleigh selalu hadir ketika radiasi tersebar pada partikel yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang radiasi. Ini adalah kasus dengan molekul gas di atmosfer. Tetesan air atau kristal es di awan, di sisi lain, jauh lebih panjang dari panjang gelombang cahaya. Tidak ada Rayleigh yang tersebar di sini, tetapi semua panjang gelombang sinar matahari terpantul padanya, sehingga awan tampak putih bagi kita.
Omong-omong, ketika mengevaluasi data pengukuran satelit, hamburan Rayleigh juga harus diperhitungkan, misalnya, jika digunakan untuk mengukur gelombang laut atau ketebalan awan. Hamburan Rayleigh mengacu pada hamburan gelombang elektromagnetik pada partikel yang kecil dibandingkan dengan panjang gelombang gelombang yang tersebar. Partikel tereksitasi oleh radiasi elektromagnetik untuk bergetar dan menghasilkan sebagai antena pemancar - yang disebut dipole Herzian - pada gilirannya, radiasi. Perhitungan yang akurat menunjukkan bahwa kekuatan radiasi berbanding terbalik dengan kekuatan keempat dari panjang gelombang.
Mengapa langit bukan ungu, tetapi biru? Lagi pula, gelombang ungu lebih pendek dari gelombang biru. Alasan pertama adalah bahwa spektrum radiasi matahari tidak seragam. Warna ungu ada sedikit. Selain itu, sinar violet tersebar di lapisan atmosfer paling atas. Alasan kedua - sensitivitas kerucut kami terhadap ungu lebih rendah daripada biru. Alasan ketiga adalah bahwa warna biru tidak hanya mengiritasi kerucut biru di retina, tetapi juga sedikit merah dan hijau. Karena itu, warna langit tidak pucat, tetapi biru jenuh, terutama saat udaranya jernih.
Langit hanya biru ketika udara serendah mungkin dalam hal debu dan asap knalpot. Langit kita berwarna biru karena bumi dikelilingi oleh atmosfer, yang disebut atmosfer. Atmosfer terdiri dari campuran gas, terutama nitrogen, diikuti oleh penambahan oksigen, uap air, karbon dioksida, metana dan gas lainnya dalam jumlah kecil. Dalam bentuk partikel-partikel kecil, yang disebut molekul, gas-gas ini membentuk amplop udara kita. Pada benda langit yang tidak memiliki atmosfer, misalnya, di bulan, langit hitam bahkan di siang hari.
Warna matahari terbenam dijelaskan oleh hamburan cahaya pada molekul udara. Setelah menempuh perjalanan jauh dari Matahari ke Bumi, sinar kehilangan semua warna biru. Hanya nada kuning dan merah yang mencapai mata. Di sekitar laut, matahari terbenam bahkan bisa berwarna oranye, berkat partikel-partikel garam di udara, yang bertanggung jawab atas dispersi Tyndall.
Perhatikan bahwa komposisi atmosfer, mis. dengan adanya nitrogen dan oksigen, warna langit hampir tidak tergantung. Jika sebuah planet memiliki atmosfer transparan dengan ketebalan dan kepadatan yang cukup, diterangi oleh seorang termasyhur, yang spektrumnya putih, seperti halnya Matahari, maka langit akan berwarna biru di sana.
Cahaya - Radiasi Elektromagnetik
Untuk membuat biru bagi kita, masih belum ada radiasi matahari, yang mencapai kita dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Apa yang kita anggap sebagai cahaya tampak adalah sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik. Cahaya biru memiliki panjang gelombang pendek, baik hijau dan merah. Anda juga bisa membayangkan bahwa lampu biru bergerak dengan banyak langkah cepat kecil, yang hijau mengambil beberapa langkah besar, dan akhirnya lampu merah bergerak dengan langkah lebar, lebar. Sekarang ada berkas cahaya putih dan kompleks dari matahari yang jatuh ke tanah.
Lalu, bagaimana menjelaskan bahwa gambar dari pesawat ruang angkasa mendarat di Mars menunjukkan bahwa langit berwarna merah muda dan merah? Ini karena atmosfer Mars sangat tipis dan tercemar debu. Hamburan sinar matahari terjadi bukan pada molekul, tetapi terutama pada kotoran debu yang ditangguhkan. Banyak partikel debu lebih besar dari panjang gelombang cahaya dan terdiri dari oksida besi, yang berwarna merah.
Jadi, sementara bergegas biru di jalannya sangat sering bertabrakan dengan molekul-molekul atmosfer, lampu merah dalam beberapa hal jauh lebih baik karena dibutuhkan langkah besar. Dikatakan juga bahwa bagian biru sinar matahari tersebar sangat kuat, tepatnya karena banyaknya tabrakan. Namun, bagian merah lebih rentan bertabrakan dengan molekul dan mungkin lebih sederhana. Langit biru karena bagian biru sinar matahari tersebar sangat kuat.
Efek ini disebut hamburan Rayleigh setelah Lord Rayleigh dari Inggris, yang menemukan fenomena ini. Hamburan Rayleigh menggambarkan bagaimana gelombang elektromagnetik, termasuk cahaya, memecah atom atau molekul. Langit terlihat sangat biru ketika udaranya benar-benar jernih dan bebas dari partikel debu. Karena sinar matahari tidak hanya dihancurkan oleh molekul-molekul udara, tetapi juga oleh zat yang menggantung di atmosfer: asap dari gunung berapi, gas buangan dari tanaman, debu dan pasir dari gurun.
Sekarang Anda tahu bahwa menjawab pertanyaan "mengapa langit biru" tidak terlalu sederhana. Kami mengerti sesuatu, tetapi apa yang harus dikatakan kepada anak-anak? Mungkin, atmosfer kita yang indah terdiri dari udara yang bersinar dengan cahaya biru ketika Matahari menghangatkannya. Karena biru adalah yang terkuat dari semua warna pelangi.