Mengapa Pelangi Memiliki Warna-Warna Tertentu?

"Pelangi pelangi, alangkah indahmu

Merah kuning hijau di langit yang biru"

Pelangi (freepik.com)

Pasti kamu hapal dengan lirik lagu di atas, tentang lagu masa kecil yang menggambarkan keindahan pelangi. Pelangi biasanya kita lihat saat terjadi hujan rintik-rintik ditemani cahaya matahari yang menembus titik-titik air tersebut. Bentuknya seperti busur yang melengkung sempurna dan terdiri dari berbagai warna. Sangat indah dipandang.

Tahukah kamu asal-usul terbentuknya pelangi? Apakah benar pelangi berwarna "merah kuning & hijau" seperti pada lagu di atas?

Pelangi dapat muncul ketika di langit terdapat titik-titik/tetesan air, yaitu saat terjadi hujan gerimis kecil atau saat hujan berangsur selesai sehingga yang tersisa adalah tetesan air. Lalu cahaya matahari bertemu dengan titik-titik air tersebut sehingga membuat cahaya mengalami pembiasan dan pemantulan. Lokasi pelangi selalu kita temukan berseberangan dengan arah sumber cahaya matahari, jadi saat melihat pelangi posisi kita sebagai pengamat pasti membelakangi matahari. Pelangi hadir saat pagi atau sore, ketika matahari berada di posisi rendah.

Konsep Sains dalam Pembentukan Matahari

1. Pembiasan

Cahaya matahari yang bertemu titik-titik air akan mengalami pembiasan, yaitu pembelokan arah karena cahaya melalui medium yang berbeda, yaitu dari udara ke air. Kecepatan cahaya berubah saat memasuki medium berbeda, sehingga cahaya berbelok dari lintasan awalnya. Indeks bias lebih tinggi untuk cahaya dengan panjang gelombang pendek (indeks bias adalah ukuran seberapa besar suatu medium memperlambat cahaya). Semakin besar panjang gelombangnya, semakin rendah indeks biasnya.

Cahaya yang datang dari matahari sebenarnya adalah cahaya putih yang terdiri dari gabungan warna MeJiKuHiBiNiU (merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila dan ungu). Maka setelah cahaya matahari bertemu titik air, warna cahaya yang putih akan terurai (dispersi) menjadi warna-warni. Setiap warna memiliki panjang gelombang berbeda, merah memiliki panjang gelombang lebih panjang sedangkan ungu memiliki panjang gelombang lebih pendek. 

Panjang Gelombang Cahaya

Warna merah dengan panjang gelombang lebih panjang memiliki indeks bias yang rendah, sehingga saat cahaya melewati titik air, ia hanya sedikit melambat. Pembelokan cahayanya tidak terlalu tajam. Sedangkan warna ungu memiliki panjang gelombang lebih pendek, indeks biasnya lebih tinggi sehingga kecepatan cahaya saat memasuki titik-titik/tetesan air akan lebih melambat, pembiasan menjadi lebih kuat dan cahayanya dibiaskan berbelok lebih tajam. Jadi, perlambatan cahaya menyebabkan perbedaan sudut belokan, menguraikan warna putih menjadi merah-jingga-kuning-hijau-biru-nila-ungu.

2. Pemantulan

Setelah terurai, cahaya-cahaya tersebut dipantulkan di sisi dalam tetesan air. Cahaya berubah arah karena mengenai permukaan air di dalam tetesan dengan sudut tertentu. Air bersifat seperti cermin sebagian di dalamnya, jadi sebagian cahaya dipantulkan kembali ke dalam tetesan air (bukan semuanya keluar langsung). Hal ini disebut sebagai pemantulan internal. Arah cahaya berubah kembali menuju permukaan depan tetesan. Selanjutnya cahaya keluar dari tetesan air dan akan mengalami pembiasan kedua.

3. Pembiasan kedua

Cahaya keluar dari tetesan air melalui sisi yang berbeda, dan kembali mengalami pembiasan karena melewati medium berbeda, kali ini dari air ke udara. Arah keluarnya sudah berbeda dan warnanya sudah terurai, sehingga kita bisa melihat spektrum warna yang beragam. 

Setiap tetesan air memantulkan dan membiaskan cahaya ke arah tertentu. Namun, hanya cahaya yang dipantulkan pada sudut tertentu yang akhirnya masuk ke mata kita. Karena perbedaan sudut pembiasan tiap warna, kita melihat pelangi dalam urutan warna merah-jingga-kuning-hijau-biru-nila-ungu. Jutaan tetesan air yang bertemu cahaya matahari ini memberikan pelangi yang indah yang bisa kita amati.

Skema Pembentukan Pelangi

Bentuk Asli dan Urutan Warna Pelangi

Meski kita melihat pelangi sebagai lengkungan busur saja, sebenarnya bentuk asli pelangi adalah lingkaran. Cahaya matahari yang mengenai tetesan air mengalami pembiasan-pemantulan-pembiasan kedua ke arah mata kita dengan sudut tetap, sekitar 42° dari bayangan kepala kita (titik antisolar). Setiap tetesan air yang berada pada sudut ini memantulkan warna-warna pelangi ke arah mata kita. Jika semua titik dengan sudut 42° itu dihubungkan, maka akan terbentuk lingkaran sempurna. 

Pada sudut matahari lebih dari 42°, cahaya yang dibiaskan berada di bawah garis horison, sehingga pelangi tidak dapat terlihat dari permukaan tanah. Sehingga kita hanya melihat setengah bentuk lingkarannya. Tetapi, jika dilihat dari ketinggian tertentu, misalnya dari dalam pesawat atau dari dataran tinggi, bentuk lingkaran pelangi dapat jelas terlihat.

Setengah bagian pelangi tertutup horizon

Tergantung pemantulannya, ternyata pelangi bisa memiliki urutan warna yang berbeda. Urutan warna pelangi terjadi karena perbedaan panjang gelombang cahaya yang menyebabkan perbedaan sudut pembiasan saat cahaya matahari menembus dan keluar dari tetesan air. Warna-warna ini selalu tersusun sesuai panjang gelombangnya, dari merah hingga ungu. Jika cahaya mengalami pemantulan 1 kali, akan tercipta 1 pelangi dengan urutan MeJiKuHiBiNiU.

Pelangi (freepik.com)

Di kondisi tertentu, pelangi dapat terbentuk ganda (double bow). Pelangi pertama memiliki skema seperti pelangi di atas, disebut sebagai pelangi utama (primary rainbow). Sementara itu, pelangi kedua disebut sebagai pelangi sekunder (secondary rainbow) terbentuk terjadi pemantulan 2 kali. Sehingga cahayanya keluar melalui tetesan air pada sudut yang lebih besar, sekitar 51°. Arah cahaya berubah setelah dua kali pantulan, menjadikan urutan warna pelanginya terbalik, merah di bagian dalam dan ungu di bagian luar. Di antara pelangi utama dan pelangi sekunder terdapat sebuah pita gelap yang disebut pita Alexander, yaitu area di mana tidak ada cahaya yang mencapai mata akibat tidak ada sudut pembiasan yang sesuai. 

Pelangi Sekunder

Pelangi sekunder terlihat lebih redup karena setiap pantulan dalam tetesan menyebabkan kehilangan energi cahaya, baik karena sebagian cahaya keluar lebih awal atau diserap oleh tetesan air. 

Pelangi Ganda (freepik.com)

Kondisi Lain yang Dapat Membentuk Pelangi

Selain hujan, pelangi juga dapat terbentuk dalam kondisi lain selama ada cahaya matahari dan butiran air di udara yang cukup kecil untuk membiaskan dan memantulkan cahaya. Berikut beberapa kondisi selain hujan yang bisa menciptakan pelangi:

1. Kabut (Fogbows)

• Pelangi dapat muncul di kabut tipis, biasanya saat matahari bersinar dari belakang pengamat.

• Karena butir kabut sangat kecil, pelanginya sangat pucat atau bahkan berwarna putih, disebut fogbow atau “pelangi kabut”.

2. Embun (Dewbows)

• Saat pagi hari, sinar matahari mengenai tetesan embun di rumput atau dedaunan.

• Jika sudut matahari tepat dan pengamat membelakangi matahari, pelangi mini bisa terlihat di permukaan embun.

3. Air Terjun atau Semprotan Air

• Tetesan air dari air terjun, selang taman, atau pancuran bisa menciptakan pelangi jika terkena sinar matahari dari sudut tertentu.

• Sering disebut pelangi buatan karena bisa dilihat saat kita menyemprot air di udara dengan cahaya matahari di belakang.

4. Awan Tipis dengan Kristal Es (Halo dan Circumhorizontal Arc)

• Meskipun bukan pelangi sejati, beberapa fenomena optik di langit seperti halo dan pelangi es terbentuk saat cahaya matahari dibiaskan oleh kristal es di awan sirus.

• Warna-warni ini tampak menyerupai pelangi, tapi mekanismenya berbeda (pembiasan oleh kristal, bukan tetesan air).

Share this post