Artikel ini telah diterjemahkan secara otomatis. Versi aslinya tersedia dalam bahasa Inggris.
Fisika di balik keajaiban paling biasa di langit — dan bagaimana warna langit itu berubah sepanjang 4,5 miliar tahun sejarah Bumi
Pertanyaan Lama, Dua Jawaban
Pertanyaan mengapa langit berwarna biru memiliki jawaban singkat dalam fisika dan jawaban yang lebih panjang dalam sejarah Bumi. Langit hari ini hanyalah yang terbaru dari beberapa langit yang pernah dimiliki planet ini, termasuk masa-masa ketika kabut jingga mirip kabut Titan menyelimuti Bumi purba.
Pada akhir Eon Arkean, lebih dari 2,5 miliar tahun lalu, metana yang dilepaskan mikroba menyuburkan kabut organik yang mewarnai langit menjadi jingga. Munculnya oksigen mengakhiri episode-episode berkabut itu.
Oksigen itu dihasilkan oleh organisme mikroskopis lain, yang sama sekali tidak berniat mengubah atmosfer; mereka hanya ingin memakan sinar matahari. Mengapa semua ini mengubah warna langit adalah pertanyaan tentang cara udara memperlakukan cahaya.
Hamburan Rayleigh: Mekanismenya
Sinar matahari bukanlah satu warna. Sinar matahari adalah campuran semua panjang gelombang cahaya tampak, dari ungu (kira-kira 380 nanometer) melalui biru, hijau, kuning, dan jingga hingga merah (kira-kira 700 nm), ditambah panjang gelombang di luar kedua ujung itu yang tidak dapat dilihat mata manusia. Ketika cahaya itu memasuki atmosfer Bumi, ia bertemu dengan molekul nitrogen dan oksigen yang menyusun kira-kira 99% udara. Molekul-molekul itu sangat kecil, diameternya kira-kira 0,3 hingga 0,4 nanometer, sekitar seribu kali lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak yang paling pendek sekalipun.
Ketika gelombang elektromagnetik bertemu dengan partikel yang jauh lebih kecil daripada panjang gelombangnya, medan listrik gelombang yang berosilasi membuat muatan di dalam partikel itu bergetar dengan frekuensi yang sama. Partikel itu menjadi dipol pemancar yang mungil, yang memancarkan kembali cahaya ke segala arah. Inilah hamburan Rayleigh, dinamai menurut fisikawan Inggris John William Strutt, Lord Rayleigh, yang mulai menyusun matematikanya pada 1871 dan kemudian memastikan dasar molekulernya.
Wawasan kuncinya adalah ketergantungan pada panjang gelombang: intensitas hamburan Rayleigh berbanding terbalik dengan pangkat empat panjang gelombang, sehingga selisih panjang gelombang yang tidak seberapa menjadi selisih hamburan yang besar. Cahaya merah, yang panjang gelombangnya sekitar 1,5 kali panjang gelombang cahaya biru, dihamburkan kira-kira lima sampai enam kali lebih lemah, dan ungu tua pada 400 nm dihamburkan sekitar sepuluh kali lebih kuat daripada merah pada 700 nm. Cahaya biru terlempar ke samping ke seluruh penjuru langit, sementara cahaya merah dan jingga sebagian besar menembus atmosfer lurus menuju mata Anda.
Itulah sebabnya langit tampak biru: Anda sedang melihat cahaya yang terhambur, bukan sinar matahari langsung. Ke mana pun Anda memandang menjauhi matahari, yang Anda lihat adalah ujung biru spektrum yang telah dipancarkan kembali ke samping oleh miliaran molekul udara di sepanjang kolom atmosfer di atas Anda.
Kapsul Pakar — Mengapa Bukan Ungu? Matahari dan Mata
Cahaya ungu (panjang gelombang ~380–420 nm) dihamburkan bahkan lebih efisien daripada biru oleh hamburan Rayleigh, karena panjang gelombangnya lebih pendek. Lalu mengapa langit tampak biru, bukan ungu? Sebagian jawabannya ada pada Matahari, yang memancarkan lebih sedikit cahaya ungu daripada biru: spektrum emisinya memuncak di rentang biru-hijau, sehingga sejak awal lebih banyak cahaya biru yang masuk ke atmosfer. Sebaliknya, atmosfer tidak menyingkirkan cahaya ungu secara selektif dalam kadar yang berarti: ozon hanya menyerap kuat pada ultraungu, dan serapannya yang jauh lebih lemah pada cahaya tampak (pita Chappuis) justru lebih banyak menyingkirkan panjang gelombang yang lebih panjang, yakni jingga-merah — salah satu alasan langit senja di atas kepala bisa tampak biru yang lebih pekat lagi. Selebihnya bergantung pada mata kita, yang jauh kurang peka terhadap ungu dibandingkan biru: sel kerucut gelombang pendek paling kuat merespons warna biru, dan spektrum cahaya langit yang lebar juga merangsang sel kerucut yang peka hijau dan merah, sehingga otak membaca campuran itu sebagai biru yang agak pucat, bukan ungu.Matahari Terbenam dan Jalan Memutar yang Panjang
Matahari terbenam adalah fisika yang sama, dilihat dari sudut ekstrem. Ketika matahari berada di dekat cakrawala, cahayanya harus menempuh kolom atmosfer yang jauh lebih tebal untuk mencapai mata Anda; panjang lintasannya bertambah hingga puluhan kali lipat nilai saat tengah hari. Ketika cahaya itu tiba, hampir semua warna biru sudah terhambur di sepanjang perjalanan, sehingga merah, jingga, dan kuning yang mendominasi. Matahari menjadi merah, dan begitu pula langit di dekat cakrawala.
Letusan gunung berapi yang besar dapat membuat matahari terbenam jauh lebih dramatis selama berbulan-bulan atau bertahun-tahun, karena memenuhi stratosfer dengan partikel aerosol sulfat. Partikel-partikel ini jauh lebih besar daripada molekul udara dan menghamburkan cahaya melalui hamburan Mie, bukan hamburan Rayleigh. Hamburan Mie kurang selektif terhadap panjang gelombang, tetapi memperkuat pelemahan panjang gelombang pendek dan menghasilkan warna merah yang luar biasa. Letusan Gunung Tambora di Indonesia pada 1815 dianggap menjelaskan langit merah menyala yang terekam dalam lukisan-lukisan J. M. W. Turner pada tahun-tahun sesudahnya.
Kapsul Pakar — Hamburan Rayleigh vs. Mie: Mengapa Ukuran Partikel Menentukan Segalanya
Perbedaan antara hamburan Rayleigh dan hamburan Mie menentukan warna langit di seluruh tata surya. Hamburan Rayleigh berlaku ketika partikel jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya (~1/10 atau kurang): intensitas hamburan sebanding dengan λ⁻⁴, sehingga warna langit sangat bergantung pada panjang gelombang dan condong ke biru. Hamburan Mie berlaku ketika ukuran partikel mendekati panjang gelombang cahaya, seperti pada butiran debu, tetes kabut, aerosol vulkanik, dan partikel oksida besi di atmosfer Mars. Hamburan Mie umumnya jauh kurang selektif terhadap panjang gelombang: hamburan ini menyebarkan panjang gelombang tampak secara lebih merata, dan warna langit ditentukan oleh ukuran, bentuk, dan sifat serapan partikel, bukan semata-mata oleh fisika hamburan. Aerosol sulfat vulkanik, debu oksida besi di Mars, dan kabut tolin di Titan (gumpalan fraktal dari butiran-butiran sangat kecil, yang memerlukan perhitungan hamburannya sendiri) semuanya termasuk rezim Mie atau mendekati Mie. Langit biru Bumi secara khusus merupakan hasil atmosfer yang didominasi hamburan Rayleigh — atmosfer yang bersih dari aerosol besar dan terutama tersusun atas molekul gas yang kecil.
Sejarah Warna Langit: 4,5 Miliar Tahun
Langit tidak selalu tampak seperti sekarang. Penyimpangan paling dramatisnya terjadi pada akhir Arkean, ketika kabut organik mirip kabut Titan datang dan pergi. Infografis yang menyertai artikel ini memetakan salah satu kemungkinan alur sejarah tersebut. Warna yang diberikan untuk setiap era adalah rekonstruksi seniman, berdasarkan apa yang kita ketahui tentang komposisi atmosfer dan fisika hamburan, bukan hasil pengamatan langsung.
Hadean (4,5 – 4,0 miliar tahun lalu): Magma, Lalu Air
Ketika Bumi terbentuk sekitar 4,54 miliar tahun lalu, Bumi belum memiliki langit dalam arti yang dapat kita kenali: permukaannya mula-mula berupa samudra magma yang dihujani puing-puing dari tata surya purba. Namun, dalam waktu kira-kira 150 juta tahun, kerak Bumi sudah cukup dingin sehingga air dapat berada dalam wujud cair; kristal zirkon berumur 4,4 miliar tahun merekamnya. Seiring planet mendingin dan pelepasan gas vulkanik membentuk atmosfer, atmosfer itu didominasi uap air dan karbon dioksida, disertai nitrogen dan gas-gas vulkanik seperti belerang dioksida, praktis tanpa oksigen bebas. Hingga Peristiwa Oksidasi Besar, kadar oksigen tetap di bawah sekitar 0,001% kadar saat ini.
Tak ada bukti langsung tentang langit itu yang tersisa; dugaan terbaiknya adalah langit putih susu kekuningan pucat di bawah atmosfer yang tebal dan penuh uap. Belerang dioksida vulkanik diubah oleh sinar matahari menjadi tetesan aerosol sulfat, kimia yang sama yang membentuk awan Venus saat ini. Partikel-partikel ini jauh lebih besar daripada molekul gas dan menghamburkan cahaya dalam rezim Mie, dan selama periode vulkanisme yang hebat partikel-partikel itu kemungkinan besar membuat langit memutih dan meredup, sementara uap dan abu ikut menambah kekeruhannya.
Eoarkean dan Paleoarkean (4,0 – 3,2 miliar tahun lalu): Langit Biru di Atas Dunia Air
Atmosfer pada era ini didominasi nitrogen dan karbon dioksida, dengan sedikit atau tanpa oksigen bebas. Langit nitrogen–karbon dioksida menghamburkan sinar matahari dengan cara yang hampir sama seperti langit kita (molekul CO₂ bahkan menghamburkan cahaya lebih kuat daripada N₂), sehingga di mana pun udara bebas dari kabut tebal, langit di atas dunia air yang muda ini kemungkinan besar berwarna biru, tanpa memerlukan oksigen.
Mesoarkean dan Neoarkean (3,2 – 2,5 miliar tahun lalu): Episode Jingga — Kabut yang Hidup
Kehidupan muncul dalam rekaman geologis paling lambat 3,5 miliar tahun lalu. Organisme paling awal bersifat anaerob. Mikroba penghasil metana (metanogen) sudah aktif paling lambat 3,46 miliar tahun lalu, melepaskan metana sebagai produk sampingan metabolisme. Seiring menyebarnya organisme ini, metana menumpuk di atmosfer hingga diperkirakan mencapai 100 sampai 1.000 bagian per sejuta. Ketika metana mencapai sekitar sepersepuluh kadar karbon dioksida, cahaya ultraungu dari Matahari memecahnya menjadi fragmen-fragmen reaktif yang berpolimerisasi menjadi partikel aerosol organik kompleks, yang sering disebut tolin: jenis kabut cokelat kemerahan yang sama yang memberi warna pada Titan, bulan Saturnus, saat ini. Rekaman geokimia menunjukkan kabut ini muncul dan hilang silih berganti alih-alih bertahan terus-menerus. Selang waktu berkabut yang paling baik terdokumentasi jatuh antara sekitar 2,7 dan 2,5 miliar tahun lalu; rekaman isotop belerang mengisyaratkan adanya selang berkabut yang lebih awal sekitar 2,9 miliar tahun lalu, dan sebagian model memperpanjang era berkabut itu hingga sekitar 3,2 miliar tahun lalu.
Kabut organik ini secara efisien menyerap cahaya gelombang pendek di bawah kira-kira 500 nm, melucuti sebagian besar warna biru dan ungu dari langit dan terutama menyisakan panjang gelombang yang lebih panjang dan lebih hangat. Selama setiap episode berkabut, langit berubah menjadi jingga. Di antara episode-episode itu langit kembali biru, dan sekitar 2,7 miliar tahun lalu kemungkinan berwarna biru yang lebih pekat dan lebih gelap daripada langit kita: gelembung gas yang terperangkap dalam aliran lava berumur 2,7 miliar tahun yang meletus di permukaan laut menunjukkan bahwa tekanan udara saat itu kurang dari setengah tekanan sekarang, dan udara yang lebih tipis menghamburkan lebih sedikit cahaya, sehingga langit di atas kepala menjadi lebih gelap dan lebih jenuh warnanya. Atmosfer nitrogen-metana Titan, dengan tolinnya yang melimpah, adalah analog hidup terdekat bagi langit akhir Arkean selama episode-episode tersebut. Model komputer yang menggabungkan iklim, kimia atmosfer, dan fisika partikel kabut menunjukkan bahwa kabut hidrokarbon semacam ini mendinginkan permukaan sekitar 20 °C, tetapi tetap memungkinkan adanya air cair di permukaan, bahkan di bawah Matahari muda yang lebih redup, yang pada akhir Arkean bersinar dengan kira-kira 80% luminositasnya saat ini.
Kapsul Pakar — Paradoks Matahari Muda yang Redup dan Rumah Kaca Metana
Empat miliar tahun lalu, luminositas Matahari kira-kira 70–75% dari luminositasnya saat ini, konsekuensi evolusi bintang yang sudah mapan. Menurut perhitungan keseimbangan radiasi yang sederhana, hal ini seharusnya membuat Bumi purba jauh di bawah titik beku. Namun bukti geologis dengan tegas menunjukkan bahwa air cair ada di permukaan sepanjang Arkean. Penjelasan utamanya adalah efek rumah kaca yang kuat dari CO₂ dan dari kadar metana tinggi yang dihasilkan metanogen. Gas metana menambah pemanasan rumah kaca, sementara kabut organik yang disuburkannya sebagian mengimbangi pemanasan itu dengan menaungi permukaan. Di bawah kabut itu, air cair di permukaan tetap mungkin ada. Hilangnya metana seiring naiknya oksigen menjadi tersangka utama di balik glasiasi Paleoproterozoikum (termasuk yang terekam dalam batuan Huron di Kanada), yang dimulai sekitar 2,45 miliar tahun lalu. Ini bukan zaman es pertama di planet ini, sebab endapan glasial berumur sekitar 2,9 miliar tahun dikenal dari Afrika Selatan, tetapi termasuk yang paling parah.Peristiwa Oksidasi Besar (~2,4 miliar tahun lalu)
Sekitar 2,46 hingga 2,43 miliar tahun lalu, Bumi melewati ambang yang oleh para ahli geologi disebut Peristiwa Oksidasi Besar (Great Oxidation Event, GOE). Sianobakteri, organisme pertama yang mampu melakukan fotosintesis oksigenik, memecah molekul air dan melepaskan O₂ sebagai produk sampingan. Oksigen bebas yang mereka lepaskan mulai menumpuk di atmosfer, awalnya secara tidak stabil, naik-turun selama sekitar 200 juta tahun sebelum menjadi ciri permanen paling lambat sekitar 2,2 miliar tahun lalu.
Dampaknya terhadap kabut sangat menentukan. Oksigen bereaksi dengan metana di atmosfer dan menghentikan kimia yang selama ini menyuburkan episode kabut jingga yang berulang. Penggantinya adalah langit biru yang mirip langit kita, karena hamburan Rayleigh hanya membutuhkan molekul nitrogen dan karbon dioksida, bukan oksigen. Oksigen sendiri tetap langka untuk waktu yang lama sesudahnya: sepanjang “miliar tahun yang membosankan” pada pertengahan Proterozoikum, kadarnya hanya sebagian kecil dari kadar saat ini.
Organisme bersel tunggal yang mikroskopis, yang mengambil energi dari sinar matahari dan air, turut membersihkan kabut dari langit. Oksigen mereka juga mengubah kimia samudra. Oksigen itu mengubah habitat mikroba dan merugikan organisme yang peka terhadap oksigen, meskipun lingkungan bebas oksigen yang luas tetap bertahan, dan kehidupan anaerob masih berkembang pesat di sana hingga kini. Dalam jangka panjang, semua organisme multiseluler kompleks akan bergantung padanya.
Paleoproterozoikum (2,5 – 1,6 miliar tahun lalu): Langit Tanpa Kabut
Setelah kabut metana lenyap, langit tentunya berwarna biru. Oksigen sudah ada, tetapi kadarnya hanya sebagian kecil dari kadar saat ini. Karena oksigen hanya menyumbang sebagian kecil hamburan udara, kelangkaannya nyaris tidak memengaruhi warna langit; perbedaan tekanan udara total, kelembapan, dan debu akan lebih berpengaruh.
“Miliar Tahun yang Membosankan” (1,8 – 0,8 miliar tahun lalu): Biru yang Stabil
Periode dari sekitar 1,8 hingga 0,8 miliar tahun lalu sering disebut para ahli geologi sebagai “miliar tahun yang membosankan”: masa yang lingkungannya relatif stabil dan inovasi biologisnya berjalan lambat, dengan kadar oksigen rendah. Seberapa rendah tepatnya masih diperdebatkan, dengan perkiraan dari di bawah 0,1% hingga beberapa persen kadar saat ini. Seorang pengamat manusia yang dibawa ke era ini akan melihat langit biru yang akrab dan tidak akan bisa bernapas di bawahnya.
Akhir Neoproterozoikum dan Kambrium (800 – 487 juta tahun lalu): Menuju Masa Modern
Oksigen naik, kemungkinan secara bertahap, sepanjang akhir Neoproterozoikum seiring munculnya kehidupan multiseluler yang kompleks. Glasiasi Bumi Bola Salju pada periode ini, kira-kira 720 hingga 635 juta tahun lalu, menutupi sebagian besar planet dengan es. Pada masa ledakan Kambrium sekitar 539 juta tahun lalu, oksigen telah jauh meningkat (rekonstruksi model standar menempatkannya pada 15–20% pada Kambrium dan Ordovisium, meskipun rekonstruksi yang lebih baru mengisyaratkan kenaikan yang terjadi lebih belakangan), dan langit tampak sangat mirip dengan langit masa kini.
Kapsul Pakar — Apakah Oksigen Mengubah Warna Langit?
Pengaruhnya ternyata sangat kecil. Hamburan Rayleigh bergantung pada jumlah molekul gas dan pada seberapa mudah awan elektronnya terdistorsi, sifat yang disebut polarisabilitas. Oksigen sedikit kurang mudah terpolarisasi dibandingkan nitrogen, sedangkan karbon dioksida lebih mudah, sehingga mengganti sebagian nitrogen dengan oksigen hampir tidak mengubah hamburan. Karena mengubah perbandingan oksigen-nitrogen saja hanya akan sedikit memengaruhi hamburan, puncak oksigen Permo-Karbon (sekitar 30% dalam rekonstruksi model standar) tidak membuat birunya lebih pekat. Jika tambahan oksigen itu menaikkan tekanan udara total, hamburan tambahannya akan membuat langit sedikit lebih terang, dengan cakrawala yang sedikit lebih putih, tetapi langit di atas kepala pada dasarnya berwarna biru yang sama seperti sekarang.Karbon dan Perm (359 – 252 juta tahun lalu): Puncak Oksigen
Kadar oksigen selama periode Karbon dan Perm, kira-kira 310–260 juta tahun lalu, termasuk yang tertinggi yang pernah direkonstruksi untuk 540 juta tahun terakhir. Seiring berevolusinya tumbuhan darat vaskular berkayu yang besar, hutan pembentuk batu bara pada periode Karbon mengubur karbon organik dalam jumlah sangat besar, menarik CO₂ dari atmosfer dan menaikkan kadar oksigen atmosfer. Model ahli geokimia Robert Berner yang banyak digunakan menghitung bahwa oksigen memuncak pada sekitar 30% pada periode Perm, meskipun model-model yang lebih baru berbeda dalam perinciannya. Lapisan batu bara yang menggerakkan Revolusi Industri adalah sisa-sisa hutan tersebut yang telah termampatkan dan menjadi fosil.
Kadar oksigen yang kira-kira 40% di atas kadar saat ini tidak membuat langit menjadi biru lebih pekat, tetapi meninggalkan jejak pada kehidupan di daratan. Udara yang kaya oksigen dikaitkan dengan artropoda raksasa pada periode itu: serangga raksasa seperti Meganeura (kerabat capung) dengan rentang sayap hingga sekitar 70 sentimeter, yang pernapasan trakeanya bekerja lebih baik dalam udara kaya oksigen. Namun, kaitan ini masih diperdebatkan: Arthropleura, kerabat kaki seribu raksasa yang panjangnya hingga sekitar 2,6 meter, sudah mencapai ukuran tubuhnya yang sangat besar sebelum oksigen memuncak. Kepunahan massal akhir Perm 252 juta tahun lalu, yang terparah dalam sejarah Bumi, memusnahkan sebagian besar spesies laut, sekitar 81% menurut satu perkiraan baru. Dalam model Berner, kepunahan itu bertepatan dengan penurunan tajam oksigen atmosfer.
Mesozoikum dan Kenozoikum (252 juta tahun lalu – Kini): Biru yang Akrab
Setelah kepunahan Perm, oksigen tetap rendah sepanjang sebagian besar periode Trias dan Jura, turun hingga sekitar 12% pada periode Trias dalam rekonstruksi Berner, lalu naik secara kurang lebih mantap sepanjang sisa zaman dinosaurus hingga masa kini, tanpa pernah kembali ke puncaknya pada akhir Paleozoikum. Sepanjang masa itu, langit jelas berwarna biru; naik-turunnya oksigen saja tidak akan banyak memengaruhi warnanya. Pada 66 juta tahun lalu, ketika tumbukan Chicxulub mengakhiri periode Kapur, oksigen sudah mendekati nilai modern, dan sepanjang Kenozoikum kadarnya tetap mendekati kadar saat ini: sekitar 78% nitrogen dan 21% oksigen, dengan sisanya sebagian besar argon dan sedikit karbon dioksida.
Langit Lain: Apa yang Ditawarkan Alam Semesta
Ragam warna langit di planet dan bulan yang telah kita kunjungi, atau yang warnanya dapat kita perkirakan dari data atmosfer, menunjukkan bahwa biru Bumi hanyalah satu hasil di antara banyak kemungkinan, yang ditentukan oleh bahan penyusun udaranya, ukuran partikelnya, dan apa yang dipancarkan bintangnya. Kasus-kasus yang paling bermakna membentang dari pengukuran langsung di Mars, Titan, dan Venus hingga langit eksoplanet yang lebih spekulatif.
Mars: Siang Berwarna Karamel, Matahari Terbenam Biru
Mars adalah kasus kebalikan yang paling bermakna. Atmosfer Mars terdiri atas kira-kira 95% CO₂, tetapi tekanan permukaannya hanya sekitar 0,6% tekanan di Bumi, sehingga hamburan Rayleigh dari molekul gas dapat diabaikan. Sebaliknya, langit Mars dibentuk oleh debu halus kaya oksida besi yang kira-kira sehalus bedak talek, dengan partikel yang biasanya berjari-jari sekitar 1,5 mikron. Dalam gravitasi Mars yang lemah, angin dan badai debu membuat debu itu terus-menerus terangkat, terbawa, dan terendap kembali. Partikel-partikel ini menyerap cahaya biru dan hijau secara efisien sambil menghamburkan panjang gelombang yang lebih panjang secara lebih merata, sehingga menghasilkan langit berwarna karamel kekuningan hingga merah muda kejinggaan yang secara konsisten diukur oleh wahana penjelajah Mars.
Saat matahari terbenam, geometrinya berbalik. Sifat hamburan Mie oleh partikel debu yang condong ke depan memusatkan cahaya biru yang terhambur di dekat piringan Matahari, menghasilkan pendar biru khas yang dikelilingi langit kemerahan. Mars memiliki matahari terbenam yang biru dan siang yang jingga: kebalikan persis dari Bumi. Pembalikan ini telah dipotret secara langsung oleh wahana penjelajah Opportunity, Spirit, dan Curiosity.
Kapsul Pakar — Seandainya Mars Tak Berdebu
Seandainya semua debu disingkirkan, fisika hamburan mengisyaratkan bahwa langit Mars akan berwarna biru tua yang gelap, lebih gelap daripada langit Bumi di ketinggian, karena atmosfernya yang tipis hanya menyediakan sedikit sekali molekul untuk menghamburkan sinar matahari. Matahari akan tampak sebagai piringan yang tajam dan terang.Titan: Arsip Hidup Langit Arkean Bumi
Titan, bulan Saturnus, adalah analog pengamatan paling langsung bagi atmosfer Bumi pada akhir Arkean yang tersedia di tata surya. Atmosfernya terdiri atas sekitar 95–98% nitrogen, dengan metana sekitar 1,5% di stratosfer dan sekitar 5% di dekat permukaan. Komposisi ini kurang lebih sama dengan campuran yang direkonstruksi untuk udara Bumi sebelum GOE, meskipun Titan jauh lebih dingin dan menerima sinar matahari jauh lebih sedikit. Di atmosfer atas Titan, cahaya ultraungu memecah metana dan terus-menerus menghasilkan partikel kabut tolin: golongan molekul organik kompleks yang sama dengan yang dimodelkan untuk Bumi pada masa Arkean.
Hasilnya, yang diukur langsung oleh wahana Huygens selama penurunannya menembus atmosfer Titan pada 2005, adalah langit yang didominasi hamburan Mie dari kabut tolin berlapis-lapis, yang terdiri atas partikel agregat fraktal dan membentang dari permukaan hingga ketinggian beberapa ratus kilometer, dengan satu lapisan terpisah di dekat 500 km. Langitnya kira-kira 100–1.000 kali lebih redup daripada sore hari di Bumi dan berwarna jingga gelap yang seragam ke segala arah. Model transfer radiatif memperkirakan bahwa matahari terbenam di Titan adalah “peristiwa yang mengecewakan” pada panjang gelombang tampak: Matahari memudar ketika masih jauh di atas cakrawala, dan cahayanya meredup hanya perlahan-lahan menjadi senja panjang yang baur. Misi wahana rotor Dragonfly, yang direncanakan tiba di Titan sekitar 2034, akan mempelajari kimia ini secara langsung.
Venus: Jingga Kekuningan yang Redup di Bawah Awan Asam Sulfat
Venus memiliki atmosfer dengan tekanan permukaan kira-kira 90 kali tekanan di Bumi, yang hampir seluruhnya tersusun atas CO₂, dengan awan tebal berupa tetesan asam sulfat pada ketinggian 45–70 km. Hanya sekitar 2,6% sinar matahari yang tiba di puncak atmosfer Venus yang mencapai permukaannya. Citra dari wahana pendarat Venera milik Uni Soviet memperlihatkan langit yang tampak jingga redup hingga cokelat kekuningan di permukaan. Cahaya itu telah melewati awan tebal, yang lapisan atasnya mengandung zat penyerap yang hingga kini belum teridentifikasi, dan atmosfer karbon dioksida yang padat di bawahnya, yang bersama-sama melucuti cahaya biru dan ungu serta meneruskan sebagian besar panjang gelombang yang lebih panjang ke permukaan. Permukaannya sendiri, yang diterangi cahaya tersaring ini, tampak dalam citra Venera sebagai batuan merah jingga di bawah langit berkabut yang selalu panas. Dalam beberapa hal, Venus, dengan udaranya yang didominasi CO₂, kimia belerang, dan aerosol sulfat, menyajikan ilustrasi panas bertekanan tinggi tentang proses-proses yang mungkin juga berlangsung pada Bumi yang sangat purba.
Eksoplanet: Palet Lengkap
Di luar tata surya, warna langit bergantung pada begitu banyak variabel sehingga hampir semua warna masuk akal secara fisika. Spektrum emisi bintang induk adalah penggerak utama. Bintang katai M yang dingin terutama memancarkan cahaya merah dan inframerah dengan relatif sedikit cahaya biru, sehingga planet yang mengorbitnya akan memiliki langit yang warnanya bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih panjang dibandingkan langit kita, bahkan dengan atmosfer nitrogen-oksigen mirip Bumi: lebih sedikit cahaya biru dari bintang itu yang dapat dihamburkan. Tekanan atmosfer juga berpengaruh: atmosfer yang sangat tebal menghamburkan cahaya berkali-kali sehingga langit menjadi lebih terang dan lebih pucat, sedangkan atmosfer yang tipis membuatnya tetap gelap.
HD 189733b, sebuah Jupiter panas yang berjarak kira-kira 63 tahun cahaya, tampak biru tua dalam cahaya pantul, meskipun bukan karena hamburan Rayleigh oleh gas. Warna birunya diduga berasal dari atmosfer berkabut yang mengandung partikel silikat (pada dasarnya butiran kaca yang sangat kecil) yang menghamburkan cahaya biru, sementara natrium menyerap sebagian besar cahaya merah. Sisi siangnya mencapai jauh di atas 1.000 °C dan anginnya melebihi 8.000 km/jam, sehingga warna biru itu tidak memberi petunjuk apa pun tentang kemungkinan adanya kehidupan di sana.
Kapsul Pakar — Apa yang Dibutuhkan untuk Langit Hijau?
Cahaya hijau (~520–560 nm) berada di tengah spektrum tampak: dihamburkan kurang efisien daripada biru oleh hamburan Rayleigh, tetapi lebih efisien daripada merah. Langit yang didominasi warna hijau pada dasarnya mustahil terbentuk hanya melalui hamburan Rayleigh, karena atmosfer apa pun yang lebih banyak menghamburkan hijau akan menghamburkan biru dan ungu dengan lebih kuat lagi, dan panjang gelombang yang lebih pendek itulah yang akan mendominasi. Langit hijau mungkin terjadi, tetapi membutuhkan kombinasi pencahayaan, hamburan, dan serapan yang tidak biasa. Setelah beberapa letusan gunung berapi besar, partikel sulfat stratosfer dengan ukuran yang pas telah menghasilkan senja berwarna hijau dengan memadukan hamburan anomali, lintasan cahaya senja yang panjang, dan serapan Chappuis oleh ozon. Dalam hamburan anomali, pada sebagian spektrum tampak, hamburan oleh partikel justru meningkat seiring bertambahnya panjang gelombang, kebalikan dari hamburan Rayleigh. Hamburan Rayleigh biasa di udara jernih di bawah sinar matahari tidak dapat menghasilkan langit siang yang hijau.Biru yang Kita Warisi
Dunia lain memiliki langit yang lain. Biru jernih Bumi adalah yang tersisa setelah serangkaian peristiwa: lahirnya fotosintesis oksigenik, Peristiwa Oksidasi Besar, dan lenyapnya kabut metana yang sesekali menyelubungi planet muda ini. Biru di atas kepala adalah fisika, dan juga langit yang dijaga bebas dari kabut metana oleh oksigen yang dilepaskan sianobakteri.
Lord Rayleigh menyusun fisikanya pada 1871. Sianobakteri, yang telah mengembangkan fotosintesis penghasil oksigen sejak masa Arkean, sudah mulai menjernihkan langit jauh sebelumnya: oksigen mereka mulai menumpuk di udara sekitar 2,4 miliar tahun lalu.
Penafian AI Generatif
Sebagian konten halaman ini dihasilkan dan/atau disunting dengan bantuan AI Generatif.
Media
Sepuluh Jupiter Panas, dari yang Cerah hingga Berawan – NASA
Sumber dan Referensi Utama
Bohren, C. F., & Huffman, D. R. (1983). Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley-Interscience. ISBN 047105772X. (Rayleigh and Mie scattering theory; wavelength-dependence of scattering; particle-size regimes.) https://openlibrary.org/isbn/9780471057727
Chandrasekhar, S. (1960). Radiative Transfer. Dover Publications. ISBN 0486605906. (Classical mathematical treatment of radiative transfer and Rayleigh scattering in planetary atmospheres.)
Young, A. T. (1982). Rayleigh scattering. Physics Today, 35(1), 42–48. doi:10.1063/1.2890003. (Rayleigh scattering terminology, history, and the molecular basis established by Rayleigh in 1899.) https://doi.org/10.1063/1.2890003
Strutt, J. W. (1871). On the light from the sky, its polarization and colour. Philosophical Magazine, 41, 107–120. (Rayleigh’s original derivation of the scattering law.) https://doi.org/10.1080/14786447108640452
Gibbs, P. (1997). Why is the sky blue? Physics FAQ, University of California, Riverside. (Red/blue and violet/red scattering ratios; why the sky is not violet (solar spectrum and eye sensitivity).) https://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/BlueSky/blue_sky.html
NASA Space Place. Why is the sky blue? (Sky color, sunsets and the Martian sky explained.) https://spaceplace.nasa.gov/blue-sky/en/
NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database (CCCBDB). Experimental polarizabilities. (Polarizabilities of CO₂ (2.51 ų), N₂ (1.71 ų) and O₂ (1.56 ų).) https://cccbdb.nist.gov/pollistx.asp
Nassau, K. (1983). The Physics and Chemistry of Color: The Fifteen Causes of Color. Wiley-Interscience. ISBN 0471867764. (Sky color and color perception.) https://openlibrary.org/isbn/0471867764
Lee, R. L., Meyer, W., & Hoeppe, G. (2011). Atmospheric ozone and colors of the Antarctic twilight sky. Applied Optics, 50(28), F162–F171. (Ozone’s Chappuis-band absorption and the blue of the twilight sky.) https://opg.optica.org/ao/abstract.cfm?uri=ao-50-28-F162
von Savigny, C., et al. (2024). Explaining the green volcanic sunsets after the 1883 eruption of Krakatoa. Atmospheric Chemistry and Physics, 24, 2415–2422. (Green sunsets and twilights after volcanic eruptions, explained by aerosol scattering; role of ozone’s Chappuis band.) https://acp.copernicus.org/articles/24/2415/2024/acp-24-2415-2024.html
Zerefos, C. S., et al. (2007). Atmospheric effects of volcanic eruptions as seen by famous artists and depicted in their paintings. Atmospheric Chemistry and Physics, 7, 4027–4042. (Volcanic sunsets, Tambora 1815 and Turner’s skies.) https://acp.copernicus.org/articles/7/4027/2007/
Wilde, S. A., Valley, J. W., Peck, W. H., & Graham, C. M. (2001). Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago. Nature, 409, 175–178. (Liquid water on Earth by 4.4 billion years ago.) https://doi.org/10.1038/35051550
Ueno, Y., et al. (2006). Evidence from fluid inclusions for microbial methanogenesis in the early Archaean era. Nature, 440, 516–519. (Methanogenesis by more than 3.46 billion years ago.) https://doi.org/10.1038/nature04584
Marty, B., Zimmermann, L., Pujol, M., Burgess, R., & Philippot, P. (2013). Nitrogen isotopic composition and density of the Archean atmosphere. Science, 342, 101–104. doi:10.1126/science.1240971. (Fluid inclusions in 3.0–3.5-billion-year-old quartz limit the partial pressure of nitrogen to at most ~1.1 bar, possibly as low as 0.5 bar.) https://doi.org/10.1126/science.1240971
Som, S. M., Buick, R., Hagadorn, J. W., Blake, T. S., Perreault, J. M., Harnmeijer, J. P., & Catling, D. C. (2016). Earth’s air pressure 2.7 billion years ago constrained to less than half of modern levels. Nature Geoscience, 9, 448–451. doi:10.1038/ngeo2713. (Gas-bubble sizes in 2.7-billion-year-old sea-level lava flows show air pressure below half of today’s.) https://doi.org/10.1038/ngeo2713
Pavlov, A. A., Brown, L. L., & Kasting, J. F. (2001). UV shielding of NH₃ and O₂ by organic hazes in the Archean atmosphere. Journal of Geophysical Research: Planets, 106(E10), 23267–23287. doi:10.1029/2000JE001448. (Methane-derived hydrocarbon haze in the Archean; optical properties and UV-shielding role.) https://doi.org/10.1029/2000JE001448
Zerkle, A. L., Claire, M. W., Domagal-Goldman, S. D., Farquhar, J., & Poulton, S. W. (2012). A bistable organic-rich atmosphere on the Neoarchaean Earth. Nature Geoscience, 5, 359–363. doi:10.1038/ngeo1425. (Geochemical evidence that the Archean haze switched on and off.) https://doi.org/10.1038/ngeo1425
Arney, G., Domagal-Goldman, S. D., Meadows, V. S., Wolf, E. T., Schwieterman, E., Charnay, B., Claire, M., Hébrard, E., & Trainer, M. G. (2016). The Pale Orange Dot: The Spectrum and Habitability of Hazy Archean Earth. Astrobiology, 16(11), 873–899. doi:10.1089/ast.2015.1422. (Coupled climate-photochemical-microphysical simulations of hazy Archean Earth; haze cools the surface ~20 K but habitable conditions persist; planet would appear orange from space; Titan analog.) https://doi.org/10.1089/ast.2015.1422
Feulner, G. (2012). The faint young Sun problem. Reviews of Geophysics, 50, RG2006. (Solar luminosity through Earth history; greenhouse solutions.) https://arxiv.org/abs/1204.4449
University of Johannesburg. Earth’s first glaciation at 2.9 Ga revealed by triple oxygen isotopes (research record). (Pongola glaciation, about 2.9 billion years ago.) https://pure.uj.ac.za/en/publications/earths-first-glaciation-at-29-ga-revealed-by-triple-oxygen-isotop/
Sessions, A. L., Doughty, D. M., Welander, P. V., Summons, R. E., & Newman, D. K. (2009). The continuing puzzle of the Great Oxidation Event. Current Biology, 19(14), R567–R574. doi:10.1016/j.cub.2009.05.054. (GOE timing and mechanisms; O₂ < 10⁻⁵ PAL before the GOE.) https://doi.org/10.1016/j.cub.2009.05.054
Gumsley, A. P., et al. (2017). Timing and tempo of the Great Oxidation Event. PNAS, 114(8), 1811–1816. (GOE onset 2.46–2.43 billion years ago; Paleoproterozoic glaciations.) https://portal.research.lu.se/en/publications/timing-and-tempo-of-the-great-oxidation-event/
Poulton, S. W., et al. (2021). A 200-million-year delay in permanent atmospheric oxygenation. Nature, 592, 232–236. doi:10.1038/s41586-021-03393-7. (Oxygen oscillations after the GOE; permanent oxygenation by about 2.22 billion years ago.) https://doi.org/10.1038/s41586-021-03393-7
Lyons, T. W., Reinhard, C. T., & Planavsky, N. J. (2014). The rise of oxygen in Earth’s early ocean and atmosphere. Nature, 506, 307–315. doi:10.1038/nature13068. (Review of Earth’s oxygenation history; Proterozoic atmospheric constraints.) https://doi.org/10.1038/nature13068
Planavsky, N. J., et al. (2014). Low Mid-Proterozoic atmospheric oxygen levels and the delayed rise of animals. Science, 346, 635–638. doi:10.1126/science.1258410. (Chromium-isotope evidence for oxygen at or below 0.1% of present levels.) https://doi.org/10.1126/science.1258410
Zhang, S., et al. (2016). Sufficient oxygen for animal respiration 1,400 million years ago. PNAS, 113(7), 1731–1736. (Oxygen above ~4% of present levels at 1.4 billion years ago.) https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4763753/
Hoffman, P. F., et al. (2017). Snowball Earth climate dynamics and Cryogenian geology-geobiology. Science Advances, 3, e1600983. (Cryogenian Snowball Earth glaciations.) https://doi.org/10.1126/sciadv.1600983
Berner, R. A. (2006). GEOCARBSULF: A combined model for Phanerozoic atmospheric O₂ and CO₂. Geochimica et Cosmochimica Acta, 70(23), 5653–5664. doi:10.1016/j.gca.2005.11.032. (Quantitative reconstruction of Phanerozoic O₂; Silurian–Devonian secondary peak; Permian peak ~30% O₂; sharp drop at the Permian–Triassic boundary; Triassic low held at a floor of ~12% by fossil charcoal, then a more or less continuous rise from the late Triassic to the present.) https://doi.org/10.1016/j.gca.2005.11.032
Beerling, D. J., & Berner, R. A. (2000). Impact of a Permo-Carboniferous high O₂ event on the terrestrial carbon cycle. PNAS, 97(23), 12428–12432. doi:10.1073/pnas.220280097. (Modeled effects of a Permo-Carboniferous rise to ~35% O₂ on terrestrial productivity and carbon storage.) https://doi.org/10.1073/pnas.220280097
Krause, A. J., et al. (2018). Stepwise oxygenation of the Paleozoic atmosphere. Nature Communications, 9, 4081. (A newer, later trajectory for Paleozoic oxygenation.) https://doi.org/10.1038/s41467-018-06383-y
Harrison, J. F., Kaiser, A., & VandenBrooks, J. M. (2010). Atmospheric oxygen level and the evolution of insect body size. Proceedings of the Royal Society B, 277, 1937–1946. (The debated link between oxygen and insect gigantism.) https://doi.org/10.1098/rspb.2010.0001
Clapham, M. E., & Karr, J. A. (2012). Environmental and biotic controls on the evolutionary history of insect body size. PNAS, 109(27), 10927–10930. (Giant griffinflies with wingspans up to ~70 cm.) https://doi.org/10.1073/pnas.1204026109
Davies, N. S., et al. (2021). The largest arthropod in Earth history: insights from newly discovered Arthropleura remains. Journal of the Geological Society, 179. (Arthropleura size and its gigantism before the oxygen peak.) https://doi.org/10.1144/jgs2021-115
Stanley, S. M. (2016). Estimates of the magnitudes of major marine mass extinctions in earth history. PNAS, 113(42), E6325–E6334. (End-Permian marine species loss of about 81%.) https://doi.org/10.1073/pnas.1613094113
NASA Space Science Data Coordinated Archive. Earth, Mars and Venus fact sheets. (Atmospheric composition, surface pressure and gravity.) https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/earthfact.html
Lemmon, M. T., et al. (2004). Atmospheric imaging results from the Mars Exploration Rovers: Spirit and Opportunity. Science, 306, 1753–1756. (Martian dust particle size (effective radius ~1.5 µm).) https://doi.org/10.1126/science.1104474
NASA Photojournal. Sunset in Mars’ Gale Crater (PIA19400). (Blue Martian sunset imaged by Curiosity.) https://science.nasa.gov/photojournal/sunset-in-mars-gale-crater
Tomasko, M. G., Doose, L., Engel, S., Dafoe, L. E., West, R., Lemmon, M., Karkoschka, E., & See, C. (2008). A model of Titan’s aerosols based on measurements made inside the atmosphere. Planetary and Space Science, 56(5), 669–707. doi:10.1016/j.pss.2007.11.019. (Titan’s haze measured by the Huygens probe’s DISR instrument; fractal aggregate particles with monomer radius ~0.05 microns.) https://doi.org/10.1016/j.pss.2007.11.019
Barnes, J. W., et al. (2018). Titan’s twilight and sunset solar illumination. The Astronomical Journal, 156, 247. (Titan’s “underwhelming” sunsets at visible wavelengths.) https://doi.org/10.3847/1538-3881/aae519
NASA Science. Titan: facts. (Titan’s atmospheric composition and orange haze.) https://science.nasa.gov/saturn/moons/titan/facts/
Titov, D. V., Ignatiev, N. I., McGouldrick, K., Wilquet, V., & Wilson, C. F. (2018). Clouds and hazes of Venus. Space Science Reviews, 214, 126. doi:10.1007/s11214-018-0552-z. (Review of Venus cloud and haze structure, composition and optical properties.) https://doi.org/10.1007/s11214-018-0552-z
Venus Science and Technology Definition Team (2009). Venus Flagship Mission Study. NASA/LPI. (Fraction of sunlight reaching the Venusian surface (~2.6%); the unknown cloud-top absorber.) https://www.lpi.usra.edu/vexag/documents/reports/Venus-STDT-Report-0409.pdf
Evans, T. M., et al. (2013). The deep blue color of HD 189733b: albedo measurements with Hubble Space Telescope/Space Telescope Imaging Spectrograph at visible wavelengths. The Astrophysical Journal Letters, 772, L16. (The blue reflected color of HD 189733b.) https://doi.org/10.1088/2041-8205/772/2/L16
Pierrehumbert, R. T. (2010). Principles of Planetary Climate. Cambridge University Press. (Atmospheric physics of planetary climates; faint young Sun and greenhouse gas discussion.)
Seager, S. (2010). Exoplanet Atmospheres: Physical Processes. Princeton University Press. (Exoplanet atmospheric physics; scattering and radiative transfer background.)
French, K. L., et al. (2015). Reappraisal of hydrocarbon biomarkers in Archean rocks. PNAS, 112(19), 5915–5920. (Archean biomarkers once used to date cyanobacteria shown to be contamination.) https://doi.org/10.1073/pnas.1419563112
Fournier, G. P., et al. (2021). The Archean origin of oxygenic photosynthesis and extant cyanobacterial lineages. Proceedings of the Royal Society B, 288, 20210675. (Oxygenic photosynthesis likely arose in the Archean, before the GOE.) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34583585/
