Optika Atmosfer adalah studi tentang bagaimana cahaya (terutama dari matahari dan bulan) berinteraksi dengan atmosfer bumi dan gas, cairan, serta partikel padat yang terkandung di dalamnya. Fenomena ini bukan hanya sekadar pemandangan indah, tetapi merupakan hasil dari prinsip fisika yang sangat presisi.
Berikut adalah pembahasan rincinya:
1. Fenomena Hamburan (Scattering)
Hamburan terjadi ketika cahaya menabrak partikel di atmosfer dan dipantulkan ke berbagai arah. Jenis hamburan ditentukan oleh rasio antara ukuran partikel dengan panjang gelombang cahaya ($\lambda$).
A. Hamburan Rayleigh (Molekul Gas)
Terjadi ketika ukuran partikel jauh lebih kecil dari $\lambda$ cahaya (seperti molekul $N_2$ dan $O_2$).
- Hukum Rayleigh: Intensitas cahaya yang dihamburkan berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang: $I \propto \frac{1}{\lambda^4}$.
- Langit Biru: Cahaya biru ($\lambda$ pendek) dihamburkan 16 kali lebih kuat daripada cahaya merah ($\lambda$ panjang).
- Matahari Terbenam: Cahaya matahari harus melewati jalur atmosfer yang lebih tebal. Cahaya biru habis terhambur sebelum mencapai kita, menyisakan spektrum merah-jingga yang merambat lurus ke mata.
B. Hamburan Mie (Aerosol dan Tetesan Air)
Terjadi ketika ukuran partikel sebanding atau lebih besar dari $\lambda$ cahaya (seperti debu, asap, dan tetesan air di awan).
- Sifat: Tidak terlalu bergantung pada panjang gelombang (non-selektif).
- Awan Putih: Karena semua warna ($Me-Ji-Ku-Hi-Bi-Ni-U$) dihamburkan secara merata, hasilnya adalah warna putih. Jika awan sangat tebal, cahaya diserap lebih banyak sehingga awan tampak abu-abu atau hitam.
2. Fenomena Pembiasan (Refraction)
Atmosfer memiliki kerapatan yang tidak seragam. Semakin dekat ke permukaan bumi, udara semakin rapat (indeks bias $n$ lebih besar).
A. Fatamorgana (Mirage)
Disebabkan oleh gradien suhu ekstrem yang mengubah indeks bias udara secara tajam.
- Fatamorgana Inferior (Bawah): Terjadi saat udara dekat tanah sangat panas (misal di aspal). Cahaya melengkung ke atas, menciptakan bayangan langit di permukaan jalan yang tampak seperti genangan air.
- Fatamorgana Superior (Fata Morgana): Terjadi saat udara dekat permukaan sangat dingin (misal di kutub). Cahaya melengkung ke bawah mengikuti lengkungan bumi, membuat objek (seperti kapal) tampak melayang atau terdistorsi di langit.
B. Green Flash (Kilatan Hijau)
Fenomena langka saat matahari terbenam atau terbit. Atmosfer bertindak sebagai prisma besar yang mendispersikan cahaya. Saat merah/jingga tenggelam, untuk sepersekian detik hanya cahaya hijau yang terbiaskan ke arah pengamat sebelum akhirnya terhalang atmosfer.
3. Optika Tetesan Air (Rainbows)
Pelangi adalah hasil dari kombinasi pembiasan, dispersi, dan pemantulan internal total di dalam tetesan air hujan yang berbentuk bola.
- Pelangi Primer: Cahaya masuk -> bias & dispersi -> 1x pantulan internal -> bias keluar. Sudut pengamatan sekitar $42^\circ$ dari garis antisolar.
- Pelangi Sekunder: Terjadi karena 2x pantulan internal di dalam tetesan. Sudutnya sekitar $50^\circ-52^\circ$, warnanya lebih redup, dan urutan warnanya terbalik (merah di dalam, ungu di luar).
- Pita Gelap Alexander: Daerah gelap di antara pelangi primer dan sekunder di mana tidak ada cahaya yang dipantulkan ke arah pengamat.
4. Optika Kristal Es (Halos & Arcs)
Di awan tinggi (Cirrus), air membeku menjadi kristal es heksagonal (segi enam). Kristal-kristal ini bertindak seperti prisma kaca yang sangat presisi.
- Halo 22°: Cahaya matahari masuk ke satu sisi kristal heksagonal dan keluar dari sisi lain dengan sudut deviasi minimum $22^\circ$. Ini menciptakan lingkaran cahaya raksasa di sekeliling matahari.
- Sundogs (Parhelia): Jika kristal es jatuh mendatar (seperti piring), cahaya akan terfokus pada dua titik terang di kiri dan kanan matahari.
- Light Pillars: Terjadi akibat pemantulan (refleksi) cahaya matahari atau lampu kota oleh kristal es berbentuk lempeng yang jatuh secara horizontal, menciptakan pilar cahaya vertikal.
5. Fenomena Difraksi (Coronas & Glories)
Berbeda dengan pelangi yang melibatkan pembiasan, fenomena ini melibatkan pelenturan gelombang di sekitar tetesan air yang sangat kecil atau partikel kabut.
- Corona: Lingkaran cahaya berwarna warni yang sangat dekat di sekeliling bulan atau matahari saat tertutup awan tipis. Ukurannya lebih kecil dari Halo.
- Glory: Lingkaran cahaya pelangi di sekitar bayangan pengamat (sering terlihat dari pesawat) yang terjadi akibat backscattering dan difraksi cahaya pada tetesan awan yang sangat seragam.
Kesimpulan Rinci
Optika Atmosfer membuktikan bahwa atmosfer kita adalah medium optik aktif. Memahami fenomena ini memerlukan integrasi dari:
- Geometri: Untuk menghitung sudut pantul dan bias.
- Fisika Gelombang: Untuk menjelaskan hamburan dan difraksi.
- Termodinamika: Untuk memahami bagaimana suhu mengubah kerapatan udara.