Langit Biru kerana Cahaya Berselerak

Cahaya matahari kelihatan putih atau kekuningan, tetapi sebenarnya ia terdiri daripada gabungan semua warna pelangi, daripada merah hingga ungu, bercampur sekali. Setiap warna ini sepadan dengan gelombang cahaya pada panjang gelombang yang berbeza: cahaya merah mempunyai panjang gelombang lebih panjang, manakala cahaya biru dan ungu mempunyai panjang gelombang lebih pendek.

Kenapa cahaya biru "terserak" lebih banyak

Apabila cahaya matahari memasuki atmosfera Bumi, ia berlanggar dengan molekul gas seperti nitrogen dan oksigen, yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak. Interaksi jenis ini disebut serakan Rayleigh, dan salah satu ciri pentingnya ialah: cahaya dengan panjang gelombang lebih pendek (seperti biru dan ungu) diserakkan jauh lebih banyak berbanding cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang (seperti merah dan jingga), lebih kurang berkadar songsang dengan pangkat empat panjang gelombang.

Nota Istilahserakan Rayleigh: Fenomena cahaya diserakkan ke pelbagai arah apabila berlanggar dengan zarah yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombangnya, dengan cahaya panjang gelombang pendek diserakkan jauh lebih banyak berbanding cahaya panjang gelombang panjang.

Ini soalan yang bagus, dan jawapannya melibatkan beberapa sebab tambahan. Pertama, Matahari sememangnya menghasilkan lebih banyak cahaya biru berbanding ungu pada mulanya. Kedua, sebahagian cahaya ungu turut diserap oleh lapisan atmosfera atas sebelum sempat sampai ke bawah. Ketiga, mata manusia lebih peka kepada cahaya biru berbanding ungu, dan menggabungkan campuran biru dan sedikit ungu yang sampai ke mata sebagai warna biru yang kita nampak, bukan ungu. Gabungan ketiga-tiga faktor inilah yang menjadikan langit kelihatan biru kepada mata kita, bukan ungu, walaupun ungu diserakkan lebih banyak lagi dari segi fizik semata-mata.

Waktu senja, cahaya melalui laluan atmosfera yang jauh lebih panjang — lebih banyak cahaya biru terserak keluar sebelum sampai ke mata pemerhati.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?

Bagaimana kita tahu?

Pemerhatian
Langit kelihatan biru sepanjang hari kecuali berhampiran waktu matahari terbit dan terbenam, ketika ia sering bertukar jingga atau merah.
Bukti
Lord Rayleigh pada akhir abad ke-19 menganalisis secara matematik bagaimana cahaya diserakkan oleh zarah kecil, dan mendapati kadar serakan bergantung kuat kepada panjang gelombang cahaya. Ukuran makmal serakan cahaya oleh gas turut mengesahkan hubungan matematik ini.
Inferens
Oleh sebab cahaya biru diserakkan jauh lebih banyak berbanding merah semasa melalui atmosfera, cahaya biru itu diserakkan ke pelbagai arah, menjadikan seluruh langit kelihatan biru dari mana-mana arah kita pandang (bukan hanya dari arah Matahari).
Model
Model ini turut menerangkan kenapa Matahari kelihatan jingga atau merah semasa terbit dan terbenam: cahaya dari Matahari perlu melalui lintasan yang jauh lebih panjang di dalam atmosfera pada waktu itu (kerana sudut condong), menyebabkan hampir semua cahaya biru terserak keluar daripada garis pandangan sebelum sampai ke mata kita, meninggalkan lebih banyak cahaya merah dan jingga yang diserakkan lebih sedikit.
Batasan
Serakan Rayleigh menerangkan warna langit dengan baik untuk zarah gas yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya. Titisan air dalam awan jauh lebih besar dan mengalami jenis serakan berbeza (serakan Mie), yang menyerakkan pelbagai panjang gelombang cahaya tampak secara lebih seragam, ditambah kesan serakan berulang di dalam awan itu sendiri, dan itulah sebabnya awan kelihatan putih, bukan biru.

Uji KefahamanSoalan 1 daripada 2

Kenapa langit kelihatan biru dan bukan ungu, walaupun ungu diserakkan lebih banyak oleh atmosfera?