PENGARUH ATMOSFER DALAM PENGAMATAN OPTIK |
A. PENDAHULUAN
Pernahkah Anda perhatikan dengan seksama, bahwa bintang yang kita amati di malam hari tampak berkedip? Cahayanya berubah-ubah seperti lampu kelap-kelip, dan terkadang warnanya pun berubah-ubah dari putih ke biru atau merah dan sebaliknya. Sebenarnya bintang memancarkan energinya relatif konstan/stabil setiap saat. Jadi perubahan yang terjadi tidak berasal dari bintangnya. Ada hal lain yang menyebabkan bintang tampak berkedip. Apakah itu?
Penyebab utamanya adalah karena bumi memiliki atmosfer. Banyaknya lapisan udara dengan temperatur yang berbeda-beda di atmosfer menyebabkan lapisan-lapisan udara tersebut bergerak-gerak sehingga menimbulkan turbulensi. Turbulensi ini bentuknya sama seperti ombak atau gelombang di laut dan kolam renang. Jadi untuk mendapatkan gambaran seperti apa yang terjadi di atmosfer, bayangkan sebuah kolam renang yang permukaannya tidak tenang. Sebuah koin yang terletak diam di dasar kolam renang akan tampak bergerak-gerak jika kita lihat dari atas permukaan air. Gerak semu ini terjadi karena adanya refraksi/pembiasan. Menurut ilmu fisika, ketika berkas cahaya melewati dua medium yang indeks biasnya berbeda, cahaya tersebut akan dibiaskan/dibelokkan. Untuk kasus koin di kolam renang, cahaya yang dipantulkan koin melewati dua medium yang indeks biasnya berbeda, yaitu air dan udara, sebelum jatuh di mata. Dan karena permukaan air yang tidak tenang, posisi koin yang sebenarnya tetap pun akan tampak berpindah-pindah.
Hal yang sama terjadi pada cahaya bintang yang melewati atmosfer bumi. Ketika memasuki atmosfer bumi, cahaya bintang akan dibelokkan oleh lapisan udara yang bergerak-gerak. Akibatnya posisi bintang akan berpindah-pindah. Tetapi karena perubahan posisinya sangat kecil untuk dideteksi mata, maka kita akan melihatnya sebagai kedipan.
Lalu, bagaimana dengan planet, mengapa planet tidak tampak berkedip? Bintang, sebesar apapun ukurannya dan sedekat apapun jaraknya, akan tampak sebagai sebuah titik cahaya jika diamati dari bumi, bahkan dengan teleskop terbaik yang dimiliki manusia. Sedangkan planet yang memiliki ukuran yang jauh lebih kecil daripada bintang akan tampak lebih besar dari bumi karena jaraknya yang jauh lebih dekat. Dengan teleskop kecil saja kita akan dapat melihat planet sebagai sebuah piringan, bukan sebagai sebuah titik cahaya. Ukuran piringan ini cukup besar sehingga turbulensi atmosfer tidak memberikan pengaruh yang nyata pada berkas cahaya planet. Dilihat dari permukaan bumi, planet pun akan tampak tidak berkedip.
Kecuali pada kondisi atmosfer yang turbulensinya sangat kuat, atau saat planet berada di dekat horison, planet akan tampak berkedip juga. Karena pada saat planet berada di dekat horison (sesaat setelah terbit atau sebelum tenggelam), berkas cahayanya harus melewati atmosfer yang lebih tebal.
Setelah kita tahu bahwa penyebab bintang tampak berkedip adalah atmosfer bumi, kita bisa sesuaikan dengan kebutuhan kita dalam melakukan pengamatan. Jika kita ingin mengamati bintang dengan gangguan atmosfer paling sedikit, kita bisa tunggu hingga bintang tersebut berada dekat meridian. Atau jika kita ingin melihat bintang tidak berkedip sama sekali, kita bisa pergi ke luar angkasa, atau bulan, atau planet yang tidak memiliki atmosfer (ingat, bulan tidak memiliki atmosfer).
Selanjutnya dalam pembahasan makalah ini akan dibahas mengenai atmosfer dan elemen-elemen yang terkandung dalam atmosfer, serta pengaruhnya yang menjadi gangguan dalam pengamatan optik / bintang.
B. ATMOSFER
Atmosfer dan Lapisan-lapisannya
Atmosfer penting bagi kehidupan di bumi, karena tanpa atmosfer maka manusia, hewan, dan tumbuhan tidak dapat hidup. Atmosfer juga bertindak sebagai pelindung kehidupan di bumi dari radiasi matahari yang kuat pada siang hari dan mencegah hilangnya panas ke ruang angkasa pada malam hari[1].
Bumi merupakan salah satu planet yang ada di tata surya yang memiliki selubung yang berlapis-lapis. Selubung bumi tersebut berupa lapisan udara yang sering disebut dengan atmosfer. Atmosfer terdiri atas bermacam-macam unsur gas dan di dalamnya terjadi proses pembentukan dan perubahan cuaca dan iklim. Atmosfer melindungi manusia dari sinar matahari yang berlebihan dan meteor-meteor yang ada. Adanya atmosfer bumi memperkecil perbedaan temperatur siang dan malam.
Gejala yang terjadi di atmosfer sangat banyak dan beragam. Pada lapisan bawah angin berhembus, angin terbentuk, hujan dan salju jatuh, dan terjadilah musim panas dan musim dingin. Semua ini merupakan gejala yang lazim terjadi yang sering disebut cuaca. Atmosfer bumi merupakan selubung gas yang menyelimuti permukaan padat dan cair pada bumi. Selubung ini membentang ke atas sejauh berates-ratus kilometer, dan akhirnya bertemu dengan medium antar planet yang berkerapatan rendah dalam sistem tata surya. Atmosfer terdapat dari ketinggian 0 km di atas permukaan tanah sampai dengan sekitar 560 km dari atas permukaan bumi.
Atmosfer adalah pelindung bagi semua jenis kehidupan di Bumi. Namun atmosfer juga merupakan pengganggu bagi pengamatan astronomi. Untuk mengetahui gangguan atmosfer bumi, teleskop harus disimpan diluar atmosfer. Loncatan besar dalam astronomi diharapkan terjadi dengan diluncurkannya teleskop antariksa yang bernama teleskop Hubble[2] pada tahun 1990.
Atmosfer adalah lapisan gas yang melingkupi sebuah planet, termasuk bumi, dari permukaan planet tersebut sampai jauh di luar angkasa. Di Bumi, atmosfer terdapat dari ketinggian 0 km di atas permukaan tanah, sampai dengan sekitar 560 km dari atas permukaan Bumi. Atmosfer tersusun atas beberapa lapisan, yang dinamai menurut fenomena yang terjadi di lapisan tersebut. Transisi antara lapisan yang satu dengan yang lain berlangsung bertahap. Studi tentang atmosfer mula-mula dilakukan untuk memecahkan masalah cuaca, fenomena pembiasan sinar matahari saat terbit dan tenggelam, serta kelap-kelipnya bintang. Dengan peralatan yang sensitif yang dipasang di wahana luar angkasa, kita dapat memperoleh pemahaman yang lebih baik tentang atmosfer berikut fenomena-fenomena yang terjadi di dalamnya.
Atmosfer Bumi terdiri atas nitrogen (78.17%) dan oksigen (20.97%), dengan sedikit argon (0.9%), karbondioksida (variabel, tetapi sekitar 0.0357%), uap air, dan gas lainnya. Atmosfer melindungi kehidupan di bumi dengan menyerap radiasi sinar ultraviolet dari Matahari dan mengurangi suhu ekstrem di antara siang dan malam. 75% dari atmosfer ada dalam 11 km dari permukaan planet. Atmosfer tidak mempunyai batas mendadak, tetapi agak menipis lambat laun dengan menambah ketinggian, tidak ada batas pasti antara atmosfer dan angkasa luar[3].
Adapun lapisan-lapisan Atmosfer adalah sebagai berikut :
1. Troposfer
Lapisan ini berada pada level yang terendah, campuran gasnya paling ideal untuk menopang kehidupan di bumi. Dalam lapisan ini kehidupan terlindung dari sengatan radiasi yang dipancarkan oleh benda-benda langit lain. Dibandingkan dengan lapisan atmosfer yang lain, lapisan ini adalah yang paling tipis (kurang lebih 15 kilometer dari permukaan tanah). Dalam lapisan ini, hampir semua jenis cuaca, perubahan suhu yang mendadak, angin, tekanan dan kelembaban yang kita rasakan sehari-hari berlangsung. Suhu udara pada permukaan air laut sekitar 27 derajat Celsius, dan semakin naik ke atas, suhu semakin turun. Setiap kenaikan 100m suhu berkurang 0,61 derajat Celsius (sesuai dengan Teori Braak). Pada lapisan ini terjadi peristiwa cuaca seperti hujan, angin, musim salju, kemarau, dan sebagainya.
2. Stratosfer
Perubahan secara bertahap dari troposfer ke stratosfer dimulai dari ketinggian sekitar 11 km. Suhu di lapisan stratosfer yang paling bawah relatif stabil dan sangat dingin yaitu -70° F atau sekitar -57° C Pada lapisan ini angin yang sangat kencang terjadi dengan pola aliran yang tertentu. Lapisan ini juga merupakan tempat terbangnya pesawat. Awan tinggi jenis cirrus kadang-kadang terjadi di lapisan paling bawah, namun tidak ada pola cuaca yang signifikan yang terjadi pada lapisan ini.
3. Mesosfer
Adalah lapisan udara ketiga, di mana suhu atmosfer akan berkurang dengan pertambahan ketinggian hingga lapisan keempat, termosfer. Udara yang di sini akan mengakibatkan pergeseran berlakudengan objek yang datng dari angkasa dan menghasilkan suhu yang tinggi. Kebanyakan meteor yang sampai ke bumi terbakar lapisan ini. Kurang lebih 25 mil atau 40km di atas permukaan bumi, saat suhunya berkurang dari 290 K hingga 200 K, terdapat lapisan transisi menuju lapisan mesosfer. Pada lapisan ini, suhu kembali turun ketika ketinggian bertambah, hingga menjadi sekitar -143° C (dekat bagian atas dari lapisan ini, yaitu kurang lebih 81 km di atas permukaan bumi).
4. Termosfer
Transisi dari mesosfer ke termosfer dimulai pada ketinggian sekitar 81 km. Dinamai termosfer karena terjadi kenaikan temperatur yang cukup tinggi pada lapisan ini yaitu sekitar 1982° C. Perubahan ini terjadi karena serapan radiasi sinar ultra violet. Radiasi ini menyebabkan reaksi kimia sehingga membentuk lapisan bermuatan listrik yang dikenal dengan nama ionosfer, yang dapat memantulkan gelombang radio. Sebelum munculnya era satelit, lapisan ini berguna untuk membantu memancarkan gelombang radio jarak jauh.
5. Ionosfer
Lapisan ionosfer yang terbentuk akibat reaksi kimia ini juga merupakan lapisan pelindung bumi dari batu meteor yang berasal dari luar angkasa karena ditarik oleh gravitasi bumi. Pada lapisan ionosfer ini, batu meteor terbakar dan terurai. Jika ukurannya sangat besar dan tidak habis terbakar di lapisan udara ionosfer ini, maka akan jatuh sampai ke permukaan bumi yang disebut Meteorit. Fenomena aurora yang dikenal juga dengan cahaya utara atau cahaya selatan terjadi pada lapisan ini.
6. Eksosfer
Eksosfer adalah lapisan bumi yang terletak paling luar. Pada lapisan ini terdapat refleksi cahaya matahari yang dipantulkan oleh partikel debu meteoritik. Cahaya matahari yang dipantulkan tersebut juga dikenal sebagai cahaya Zodiakal.
Sifat Atmosfer Bumi
1. Merupakan selimut gas tebal yang secara menyeluruh menutupi bumi sampai ketinggian 560 km dari permukaan bumi.
2. Atmosfer bumi tidak mempunyai batas mendadak, tetapi menipis lambat laun dengan menambah ketinggian, tidak ada batas pasti antara atmosfer dan angkasa luar.
3. Tidak berwarna, tidak berbau, tidak dapat dirasakan, tidak dapat diraba (kecuali bergerak sebagai angin).
4. Mudah bergerak, dapat ditekan, dapat berkembang.
5. Mempunyai berat (56 x 1014 ton) dan dapat memberikan tekanan. 99% dari beratnya berada sampai ketinggian 30 km, dan separuhnya berada di bawah 6000 m.
6. Memberikan tahanan jika suatu benda melewatinya berupa panas akibat pergesekan (misalnya meteor hancur sebelum mencapai permukaan bumi).Sangat penting untuk kehidupan dan sebagai media untuk proses cuaca. Sebagai selimut yang melindungi bumi terhadap tenaga penuh dari matahari pada waktu siang, menghalangi hilangnya panas pada waktu malam. Tanpa atmosfer suhu bumi pada siang hari 93,3°C dan pada malam hari -148,9°C.
C. PENGARUH ATMOSFER PADA PENGAMATAN OPTIK
Pengamatan astronomi dari Bumi dibatasi oleh pemfilteran dan gangguan radiasi elektromagnetik karena atmosfer Bumi. Oleh karena itu mengirim observatorium ke luar angkasa sangat diperlukan. Sebagaimana sebuah teleskop mengorbit Bumi di luar atmosfer dia tidak kena oleh twinkling (distorsi karena turbulensi panas udara) atau polusi cahaya dari sumber cahaya buatan di Bumi. Beberapa teleskop landas bumi (seperti Teleskop Keck I dan II, Very Large Telescope) dapat menghilangkan efek turbulensi atmosfer dengan bantuan optik adaptifnya.
Astronomi berbasis-angkasa bahkan lebih penting untuk menjangkau frekuensi yang berada di luar jendela optik dan jendela radio, kedua rentang panjang gelombang dari spektrum elektromagnetik yang tidak berkurang oleh atmosfer. Contohnya, Pengamatan sinar-X hampir tidak mungkin bila dilakukan dari Bumi, dan telah mencapai tempat yang penting dalam astronomi hanya karena satelit orbit yang dilengkapi dengan teleskop sinar-X.
Absorpsi Atmosfer Bumi
Sebelum sampai ke permukaan bumi, cahaya yang berasal dari benda-benda langit akan melewati atmosfer bumi. Materi yang berada di atmosfer bumi, akan menyerap sebagian cahaya tersebut sehingga cahaya yang diterima di bumi menjadi lebih redup.oleh karena itu pengamatan optik dan juga magnitudo bintang dari permukaan bumi, harus dikoreksi terhadap penyerapan ini[4].
Cahaya bintang yang menembus bumi akan membentuk suatu sudut terhadap arah zenith (sudut zenith pengamat). Pada saat cahaya bintang memasuki atmosfer bumi, sebagian cahaya tersebut diserap dan sebagian lagi disebarkan ke arah lain. Proses penyerapan ini dinyatakan oleh koefisien absorpsi yang diukur per cm (yang sangat bergantung pada panjang gelombang).
Karena jarak zenith selalu berubah dengan berubahnya waktu pengamatan, maka harga ekstingsi atmosfer (pengurangan intensitas cahaya bintang karena diserap dan disebarkan oleh atmosfer bumi) juga berubah terhadap waktu pengamatan pembanding setiap malam. Maka ekstingsi dapat ditentukan sebagai fungsi waktu : hasilnya dapat digunakan pada bintang program (bintang yang jadi objek penelitian). Untuk ketelitian yang tinggi, bintang standar harus berada di dekat bintang program. dalam hal ini diperlukan bintang standar yang banyak.
Sedangkan dalam pengamatan hilal, tidak semudah teori yang diajarkan. Selain kondisi atmosfer dan awan yang menghalangi hilal, tapi juga sinar matahari yang sering mengaburkan pandangan pengamat. Berdasarkan penelitian yang pernah dilakukan oleh Danjon seorang astronom dari Perancis menyimpulkan bahwa karena kemampuan mata manusia, lemahnya cahaya hilal serta pengaruh cahaya senja dan gangguan atmosfer menyebabkan pengamatan terhadap hilal amatlah sulit. Berdasarkan kajian terhadap laporan yang dapat dipercaya atas kenampakan hilal di berbagai negara, hilal haruslah memiliki sudut elongasi minimum 7° terhadap matahari atau paling tidak umur hilal minimum 12 jam selepas konjungsi agar ia dapat terlihat oleh mata manusia tanpa peralatan optik.
D. LANGKAH MENGATASI GANGGUAN ATMOSFER
Dengan memperhatikan berbagai macam gangguan pengamatan yang disebabkan oleh atmosfer, maka kita perlu solusi supaya tetap bisa observasi bintang tanpa adanya penghalang dan hambatan. Dalam hal ini berbagai observatorium[5] sudah menggunakan teleskop luar angkasa atau teleskop yang disimpan di luar atmosfer. Mengapa kita memerlukan teleskop yang diletakkan di luar angkasa ? Alasannya adalah karena teleskop yang diletakkan di muka Bumi, seperti misalnya yang ada di Observatorium Bosscha - Lembang, terhalang oleh atmosfer Bumi. Udara yang terkandung di dalam atmosfer menyebabkan daya tembus teleskop ke langit menjadi berkurang.
Seperti jika melihat di dalam kabut yang menghalangi pandangan mata kita. Akibatnya kita kesulitan melihat obyek yang jauh, juga terjadi obyek yang kita lihat menjadi tidak sempurna pencitraannya, misalnya obyek terlihat kabur. Selain itu, kondisi udara juga bisa menghentikan proses pengamatan misalnya kalau terjadi hujan. Faktor lain penyebab gangguan pengamatan dari Bumi adalah adanya polusi cahaya. Lampu yang berasal dari rumah-rumah, jalan-jalan, toko-toko, dan lain-lain menyebarkan cahaya ke segala arah termasuk ke langit.
Sebaran cahaya itu akan menyebabkan lingkungan di sekitar observatorium menjadi terang dan akan sangat mengganggu pengamatan dengan teleskop optik. Kalau kita mempunyai teleskop di luar angkasa maka semua gangguan itu tidak ada. Tidak ada hujan di sana, tidak ada atmosfer yang menghalangi, juga tidak ada polusi cahaya dari pusat-pusat keramaian atau mall. Dengan demikian maka teleskop yang berada di luar angkasa akan bisa menembus jarak yang lebih jauh dibandingkan yang bisa dicapai teleskop di muka Bumi. Data yang dihasilkan pun, misalnya foto, jauh lebih tajam. Kelebihan lain adalah teleskop bisa menangkap panjang gelombang yang biasanya diserap atmosfer sehingga tidak terdeteksi di Bumi. Jadi meletakkan teleskop di luar angkasa sangatlah besar manfaatnya bagi kemajuan astronomi.
Teleskop Hubble
Teleskop Hubble diluncurkan dengan pesawat ulang-alik Discovery tanggal 24 April 1990 menuju orbit operasionalnya pada ketinggian 612 km dari permukaan laut. Berbeda dengan teleskop muka Bumi yang posisinya selalu tetap terhadap tanah sebab terpaku di dalam kubah, teleskop luar angkasa Hubble justru melayang mengelilingi Bumi dengan kecepatan kurang lebih 27 ribu kilometer per jam! Kecepatan ini jauh melampaui kecepatan jet tempur yang paling canggih sekalipun. Dengan kecepatan seperti itu hanya dibutuhkan waktu 97 menit bagi teleskop Hubble untuk mengelilingi Bumi sekali putaran.
Teleskop antariksa ini merupakan teleskop reflektor berdiameter 2,4 meter yang dibawa ke orbitnya oleh pesawat ulang-alik Diskovery. Karena letaknya diluar atmosfer, gangguan atmofser Bumi tidak akan terjadi hingga daya pisah teleskop ini sepuluh kali lebih kuat dari teleskop besar di Bumi. Teleskop ini dapat mendeteksi benda 100 kali lebih lemah dari yang dapat diamati di Bumi.
Lantas bagaimana dengan kecepatan yang luar biasa itu teleskop Hubble bisa melakukan pengamatan obyek langit ? Jangan khawatir sebab teleskop Hubble dilengkapi dengan berbagai instrument yang fungsinya mentabilkan posisi teleskop dan mengarahkannya ke obyek yang diamati. Tim ahli yang bekerja di Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland , Amerika Serikat, bekerja memonitor dan mengontrol teleskop tanpa henti. Mereka memberikan perintah kepada teleskop, misalnya menentukan obyek apa yang harus diamati, dan menerima informasi darinya melalui perantara sebuah satelit.
Dengan dilengkapi dua cermin masing-masing berdiameter 2,4 meter dan 0,3 meter, serta sensor panjang gelombang lainnya, maka teleskop Hubble bagai mata elang yang sangat tajam. Foto-foto hasil pengamatannya meliputi planet di dalam Tata Surya, komet, berbagai tipe galaksi, gugusan galaksi, kabut luar angkasa, juga tanda mengenai keberadaan Lubang Hitam. Hubble juga merekam berbagai fase bintang dan galaksi. Foto-foto Hubble menunjukkan supernova (bintang meledak), daerah pembentukan bintang-bintang muda, juga galaksi yang sedang bertumbukan. Bagi para peneliti data-data yang dikumpulkan Hubble membawa kemajuan besar bagi astronomi. Salah satunya adalah klaim penemuan konstanta Hubble, yaitu sebuah konstanta yang berkaitan dengan seberapa cepat alam semesta ini mengembang. Dengan konstanta Hubble itu para ahli kemudian menghitung umur alam semesta. Menurut perhitungan mereka umur alam semesta kita berkisar antara 12 sampai 14 milyar tahun.
E. PENUTUP
Pembahasan mengenai topik pengaruh atmosfer pada pengamatan optik, tentunya tidaklah cukup hanya dengan satu makalah, sehingga masih banyak kekurangan dalam konten makalah ini yang perlu banyak penyempurnaan. Kami ucapkan banyak terimakasih atas segala perhatiannya, semoga diskusi tentang pengaruh atmosfer pada pengamatan optik ini motivasi bagi para pembaca untuk mendalami bidang astronomi. semoga bermanfaat.
F. DAFTAR PUSTAKA
Kunjaya, Chatief, Msc. Menuju Olimpiade Astronomi, jilid I, Bandung : Kelompok Keahlian Astronomi FMIPA - ITB, 2006
Roy, A. E. and D. Clarke, Astronomy : Principles and Practices, Bristol : Adam Hilger Ltd, 1936.
Tjasyono, Bayong, Ilmu Kebumian dan Antariksa, cet. III Bandung : Remaja Rosdakarya, 2009
[1] Bayong Tjasyono, Ilmu Kebumian dan Antariksa, cet. III Bandung : Remaja Rosdakarya, 2009 Hlm. 115
[2] Teleskop Luar Angkasa Hubble (Hubble Space Telescope), merupakan teleskop ciptaan Edwin P. Hubble (1920 – 1930) seorang astronom Amerika teleskop ini dikenal sebagai mata elang di langit
[4] Chatief Kunjaya, Msc. Menuju Olimpiade Astronomi, jilid I, Bandung : Kelompok Keahlian Astronomi FMIPA - ITB, 2006. Hlm. 62
[5] Observatorium adalah sebuah lokasi dengan perlengkapan yang diletakkan secara permanen agar dapat melihat langit dan peristiwa yang berhubungan dengan angkasa. Menurut sejarah, observatorium bisa sesederhana sextant (untuk mengukur jarak di antara bintang) sampai sekompleks Stonehenge (untuk mengukur musim lewat posisi matahari terbit dan terbenam). Observatorium modern biasanya berisi satu atau lebih teleskop yang terpasang secara permanen yang berada dalam gedung dengan kubah yang berputar atau yang dapat dilepaskan. Dalam dua dasawarsa terakhir, banyak observatorium luar angkasa sudah diluncurkan, memperkenalkan penggunaan baru istilah ini. Kubah teleskop Zeiss Besar di Observatorium Bosscha.
Andai bumi tak ada Atmosfer pasti gak ada kehidupan
BalasHapus