Mengapakah Langit Bertukar Merah Ketika Matahari Terbenam?

Warna matahari terbenam bukan kerana Matahari berubah warna pada penghujung hari. Perubahan berlaku pada cahaya yang sampai ke mata kita selepas melalui atmosfera. Molekul udara berinteraksi lebih kuat dengan panjang gelombang cahaya tampak yang pendek berbanding yang panjang, dan panjang laluan cahaya melalui atmosfera berubah mengikut kedudukan Matahari di langit. Mekanisme utamanya ialah serakan Rayleigh.

Cahaya putih mengandungi pelbagai panjang gelombang

Cahaya tampak hanyalah sebahagian kecil spektrum elektromagnet. Mata manusia mengesan panjang gelombang tampak kira-kira dari ungu dan biru pada panjang gelombang lebih pendek hingga merah pada panjang gelombang lebih panjang. Cahaya Matahari mengandungi julat panjang gelombang yang luas, dan apabila gabungan itu sampai ke mata dalam perkadaran tertentu, kita melihatnya sebagai cahaya hampir putih.

Atmosfera pula terdiri terutamanya daripada molekul gas yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak. Apabila cahaya berinteraksi dengan zarah sekecil itu, satu mekanisme penting ialah serakan Rayleigh, iaitu molekul kecil di atmosfera menyerakkan panjang gelombang yang lebih pendek dengan lebih berkesan berbanding panjang gelombang yang lebih panjang.

Mengapa biru mudah diserakkan?

Dalam rejim Rayleigh ideal, keamatan serakan berkadar songsang dengan kuasa empat panjang gelombang, iaitu I ∝ 1/λ⁴. Ini bermakna sedikit perubahan panjang gelombang boleh menghasilkan perbezaan besar dalam kekuatan serakan. Cahaya biru mempunyai panjang gelombang lebih pendek daripada merah, maka ia diserakkan dengan lebih kuat oleh molekul udara. Inilah juga sebab utama langit siang kelihatan biru, kerana apabila kita melihat kawasan langit yang jauh daripada Matahari, sebahagian cahaya biru yang sampai ke mata ialah cahaya Matahari yang telah diserakkan ke arah kita.

Namun persamaan 1/λ⁴ ialah model bagi rejim Rayleigh. Atmosfera sebenar turut mempunyai aerosol, titisan air, habuk dan zarah lain yang boleh menghasilkan jenis serakan berbeza.

Apa yang berubah ketika Matahari rendah?

Ketika Matahari tinggi di langit, cahaya yang datang terus ke permukaan melalui laluan atmosfera yang relatif pendek. Ketika Matahari menghampiri ufuk, geometri berubah: cahaya datang pada sudut yang sangat condong dan perlu merentasi laluan atmosfera yang jauh lebih panjang sebelum sampai kepada pemerhati. Pada matahari terbit dan terbenam, cahaya menempuh lebih banyak atmosfera, maka panjang gelombang pendek seperti biru dan hijau lebih banyak diserakkan dan warna merah serta jingga lebih dominan pada cahaya terus.

Ini tidak bermaksud cahaya biru habis dari seluruh langit. Sebahagiannya telah diubah arah oleh serakan dan boleh sampai kepada pemerhati dari arah lain. Kita perlu membezakan dua laluan: cahaya terus dari arah Matahari yang semakin kehilangan komponen berpanjang gelombang pendek sepanjang laluan panjang lalu kelihatan lebih merah, dan cahaya dari bahagian langit lain yang termasuk cahaya yang telah diserakkan ke arah mata kita. Perbezaan arah inilah yang mengelakkan salah faham bahawa atmosfera sekadar bertindak seperti penapis merah biasa.

Mengapa matahari terbenam tidak sentiasa sama merah?

Atmosfera sebenar berubah dari hari ke hari. Aerosol, habuk, asap, titisan air dan zarah pencemar boleh mengubah cara cahaya diserakkan dan diserap. Zarah yang saiznya menghampiri atau melebihi panjang gelombang cahaya tidak lagi diterangkan dengan baik oleh serakan Rayleigh sahaja, dan serakan oleh zarah lebih besar sering dibincangkan melalui teori Mie. Oleh itu, warna matahari terbenam bergantung bukan sahaja pada sudut Matahari tetapi juga pada keadaan atmosfera, awan dan taburan zarah.

Langit yang sangat merah juga tidak boleh digunakan sendirian sebagai ukuran mudah tahap pencemaran udara. Hubungan antara aerosol dan warna langit bergantung pada saiz, komposisi, jumlah serta kedudukan zarah dan awan.

Mengapa bukan ungu yang mendominasi langit siang?

Jika panjang gelombang lebih pendek diserakkan lebih kuat, kita mungkin menjangka langit kelihatan ungu. Hakikatnya melibatkan beberapa faktor: keamatan cahaya Matahari berbeza mengikut panjang gelombang, penyerapan oleh atmosfera mengurangkan sebahagian sinaran ultraungu, dan mata manusia kurang sensitif terhadap cahaya ungu berbanding cahaya biru-hijau. Gabungan spektrum, atmosfera dan respons penglihatan manusia menyebabkan langit biasanya dipersepsi sebagai biru. Ini menunjukkan bahawa warna langit bukan hanya soal panjang gelombang mana yang paling kuat diserakkan, tetapi juga cahaya yang tersedia dan cara sistem penglihatan manusia mengesan campuran cahaya itu.